骨科机器人的高保真人机交互技术及安全无害操控机制研究

20240108

科学研究和技术服务业

为提升骨科机器人性能，扩展骨科机器人工作空间，增强骨科手术系统的安全性，确保骨科机器人在手术过程中的安全操作，课题组成功研制了一款基于冗余并联机构的骨科机器人实验样机，完成了以下工作：1.提出了三种不同骨科机器人机构构型，分析它们的运动学特性，对比分析得到了一款综合性能最优的冗余并联骨科机器人，并完成了工作空间、奇异性等性能测试，以及骨折复位、数据实时反馈等功能测试。2.充分利用骨科机器人运动学冗余特性，研究冗余并联机器人零空间优化问题，利用实验样机开展了相关运动控制实验；3.利用机构中的拉/压力传感器，基于骨折复位手术的柔顺交互临床需求研究倾斜型冗余并联机构的力控制/阻抗控制方法，提高机器人系统的人机交互性能，提升骨科手术安全性；4.利用机器人零空间特性研究基于最优驱动力的轨迹规划方法，避免驱动力过大破坏机器人的闭链机构，提高机器人承载能力。相关研究工作有利于实现机器人在医疗骨科手术中的高水平应用，提升医疗设备的安全性和准确性。

课题组自主研发的冗余并联骨科机器人目前处于实验室研发阶段，可实现断骨处骨对齐等骨折复位操作。为了实现该骨科机器人的成果应用转化，希望寻求合作伙伴在以下方面提供相应支持： 1.资金与场地支持：期望寻求资金合作伙伴，共同将该骨科机器人进行进一步的产品研发、测试和生产。 2.技术整合与优化：期望寻求具备先进工程技术经验的合作伙伴，协同完善和优化该项目自主研发的冗余并联骨科机器人技术架构，用以提升机器人的操作精度、安全稳定性和灵活性，使其更好地适应不同的骨科手术场景需求。 3.临床验证与合规性：期望寻求与临床医生、医学研究机构等专业合作伙伴合作，进行全面临床验证。通过深入了解机器人在实际手术中的状态与性能，更好地优化和调整相关技术，确保其符合医学行业的应用规范。 4.市场拓展与推广：期望寻求具备市场拓展和推广经验的合作伙伴，共同制定有效的市场推广策略。希望能够借助合作伙伴的推广和销售渠道，将冗余并联骨科机器人技术推广引入医疗机构，为患者提供先进的治疗方案。 5.知识产权与专利合作：期望寻求专业知识产权律师事务所，以共同保护项目组的创新成果。通过建立坚实的知识产权基础，进而有利于推进技术的商业化过程，同时确保在竞争激烈的市场中保持领先地位。 我们期望通过深度合作，与合作伙伴共同探索创新性医疗技术，推动课题组自主研发骨科机器人从实验室走向实际应用，为患者提供更先进、更安全的医疗解决方案。

可国（境）内外转让

冗余并联骨科机器人技术的成果转化预计将在科技、经济和社会方面取得显著效益。首先，通过引入先进的智能控制算法和感知技术，提高骨科手术机器人的操作精度，降低手术风险，为医生提供安全可靠的手术策略。相关研究不仅有利于提高手术机器人操作安全性，还有利于推动机器人技术在医学领域的广泛应用。在经济效益方面，相关技术转化有利于带动相关产业链升级，促进经济增长，增加就业机会。此外，冗余并联骨科机器人技术的应用还有利于提高医疗效率，缩短患者手术时间，优化治疗体验，同时也有利于缩短患者康复时间，为医疗服务的可持续发展创造有利条件。

北京市自然科学基金海淀前沿项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目以骨科机器人的柔顺人机交互与安全精准操控为目标，开展了相关理论研究、计算仿真，以及实验研究工作。基于以往关于柔顺并联机器人和冗余驱动机器人等方面的研究基础，研究了多种冗余并联机器人工作空间求解方法、基于三点法构建维度齐次雅可比矩阵的奇异性分析方法、骨科机器人机构几何参数多变量多目标优化方法，并进行了多种冗余骨科并联机构的样机研制和实验验证。在并联机器人运动学冗余构型分析和工作空间求解、冗余并联骨科机器人时变阻抗控制、基于新型运动学分析方法的安全无害骨科机器人机构综合等方面，取得了具有创新性的研究成果。相关研究成果突破以往并联机构工作空间相对不足、奇异位形复杂等局限性，有效改善了骨科机器人的操作性能，为骨科机器人的高性能安全精准操控提供了有力支撑。相关研究不仅直接服务于骨科机器人技术的深入发展，而且能为其他外科手术机器人、康复机器人、内窥检测机器人、手术模拟器、临场感遥操作系统等先进机器人技术的深入发展提供原理方法借鉴，有益于促进高端医疗装备、智能装备制造、航空航天等北京市优势产业领域的技术发展，具有良好的社会经济价值。