遠端遙控機械手臂腹腔鏡手術系統｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	陳志明 Zhen-Ming Chen
論文名稱：	遠端遙控機械手臂腹腔鏡手術系統
指導教授：	曾清秀 Ching-Shiow Teseng
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
畢業學年度：	88
語文別：	中文
論文頁數：	74
中文關鍵詞：	機械手臂、腹腔鏡
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本研究是在發展一套遠端機械手臂腹腔鏡手術系統，以了解遠端遙控機械手臂腹腔鏡手術的可行性。由於設備不足，此系統是由具有力回饋輸入裝置、近端電腦、伺服電腦、機械手臂及攝影機所組成。輸入裝置是用來模擬腹腔鏡運動，近端電腦和伺服電腦傳遞及接收機器人的運動及狀態指令與影像資料，彼此之間的控制訊號是靠TCP/IP網路傳送，而影像是使用RTP/RTCP網路。機械手臂可隨輸入裝置的操作而移動腹腔鏡，其移動過程可由攝影機攝取。本研究以一隻小木棒代替腹腔鏡，用骷顱頭頭頂上1公分直徑小洞當肚皮上開口支點，然後用輸入裝置控制機械手臂運動，觀察小木棒移動是否類似腹腔鏡運動模式以及影像顯示情況和機械手臂移動是否順暢，然後適當修正操作輸入裝置與及改變機械手臂控制模式和方位資料傳送的頻率和方式，改善了小木棒移動失控、機械手臂移動抖動和嚴重延遲的現象。
本研究已有初步結果，影像的傳輸及顯示尚稱流暢，而腹腔鏡也能由輸入裝置控制其運動，但動作尚不夠順暢穩定。在力回饋控制方面，則因設備未能及時交貨，以致沒有力回饋功能。本研究若能持續發展，可預期會有更完美的成果。

目錄
摘要…………………………………………………………….…………I
目錄………..………………………………………………….…………II
圖索引…….………………………………………………….…………IV
表索引…….………………………………………………….…………VI
第一章緒論……………………………………………..………..…1
1-1 研究動機………………………………………...…….……1
1-2 文獻回顧………………………………………...……….…2
1-3 研究方法………………………………………....…………3
1-4 論文介紹………………………………………...……….…3
第二章遠端手術探討………………………………..…..…………4
2-1 遠端手術……………….………………….……..…………4
2-2 遠端手術系統範例…………………………………………6
2-3 遠端腹腔鏡手術控制方式……………………….…….…11
第三章 硬體架構和系統流程……………………………..………12
3-1 硬體架構……………..……………………………………12
3-1-1 輸入裝置…………………..………………...………12
3-1-2 輸入裝置控制器………………………..…………...16
3-1-2-1 SMAC LAC-1控制器……………..…….…….16
3-1-2-2 編碼器解碼和A/D轉換電路…………..……..16
3-1-3 數位輸出入卡(Digital I/O Card)……………...…….19
3-1-4 Client電腦…………………………………………..19
3-1-5 Server電腦………………………………….…….…19
3-1-6 攝影機………………………………………...……..19
3-1-7 影像擷取卡…………………………………...……..20
3-1-8 機械手臂……………………………………...……..20
3-2 系統資料流程……………………..………………..……..21
3-3 軟體………………………………………………...……...24
3-4 影像資料傳輸架構……………………………..…...…….27
第四章運動分析……………………………………………..……28
4-1 腹腔鏡手術器械之操作模式及運動分析…………..……28
4-2 輸入裝置的性能需求………………………………..……31
4-3 輸入裝置與手術器械和機械手臂座標轉換關係…..……33
4-3-1 遠端遙控腹腔鏡手術應用場合和情形 …….………3
4-3-2 輸入裝置位置分析………………………………….34
4-3-3 機械手臂位置分析………………………………….39
4-3-3-1 RV-MⅡ運動分析……………………………..39
4-3-3-2 RV-MⅡ之反運動…………………….....…….46
4-3-4 輸入裝置與手術器械和機械手臂座標轉換…….…50
第五章 實做結果與討論……………………..……………...…….56
5-1驗結果與討論…….………………………………….……56
5-2 題解決方法………..……...………………………….…...62
第六章 結論………………………………….…………….….…,..65
參考文獻……………………………………..………………….….…..66
圖索引
Fig.2-1 遠端腹腔鏡手術工作站………………………….……….7
Fig.2-2 遠端操作手術系統……………………………………….8
Fig.2-3 遠端操作手術實驗……………………………………….8
Fig.2-4 最小侵入式的Telepresence 手術工作站……………….10
Fig.3-1 遠端遙控臂腹腔鏡手術之一般系統硬體架構圖………13
Fig.3-2 研究目前之系統硬體架構圖……………………………14
Fig.3-3 輸入裝置之控制器……………………………….…….…17
Fig.3-4 解碼電路、A/D轉換電路……………………………….18
Fig.3-5 機械手臂資訊流程………………………………………22
Fig.3-6 影像及感測力資料傳輸流程……………………………23
Fig.3-7 RV_M2圖學影像模擬…………………………………..26
Fig.3-8 影像方案………………………………...…………….…27
Fig.4-1 手術刀運動空間圖…………………………………..…..29
Fig.4-2 輸入裝置實體圖…………………………………………..32
Fig.4-3 遠端腹腔鏡手術概念圖…………………………………33
Fig.4-4 輸入裝置各軸座標系……………………………………35
Fig.4-5 十字環的旋轉角度定義……………....…………………38
Fig.4-6 RV-MⅡ第六軸之設計…………………………………...40
Fig.4-7 RV-MⅡ之座標系統…………………………………..…41
Fig.4-8 腹腔鏡運動模型…………………………………………45
Fig.4-9 RV-MⅡ運動結構圖…………………..……………….…48
Fig.4-10 腹腔鏡運動方向示意圖…………………………………51
Fig.4-11 影像座標與第六軸座標關係……………………………52
Fig.4-12 輸入裝置握柄座標與刀端點座標關係….…….…..……..53
Fig.4-13 求解 分析圖………………………......………….…55
Fig.5-1 輸入裝置與Client電腦………………….……………….57
Fig.5-2 機械手臂與攝影機…………………..…….…………..….58
Fig.5-3 頭顱支點……………………………..…….……...………59
Fig.5-4 木棒繞支點正常轉動(一).…………..……...…………….60
Fig.5-5 木棒繞支點正常轉動(二).…………..……….…………...60
Fig.5-6 木棒旋轉偏離支點(一)……….……..……….…………...61
Fig.5-7 木棒旋轉偏離支點(二)……..……..….…….…………..61
Fig.5-8 Client電腦顯示界面………………..…..….…………...64
表索引
Table 4-1 輸入裝置之連桿參數表…………………….…….….36
Table 4-2 RV-MⅡ之連桿參數表……………………..………...42

                                

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[12] Rovetta, A., Sala, R., Wen, X., and Togno, A., “Remote Control in Telerobotic Surgery,” IEEE Transations on Systems. Man. and Humans. Vol. 26, No. 4, July 1996.
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