椎板减压手术机器人运动学分析与轨迹规划

王 丽，孙 宇，王瑞强，齐晓志

（1.河北工程大学机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038；2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055；3.哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院，广东 深圳 518055）

1 引言

腰椎管狭窄症（lumbarspinalstenosis，LSS）是骨科常见疾病，治疗LSS有切除减压与有限减压两类术式，切除减压会破坏腰椎结构影响脊柱的稳定性引起术后并发症，椎板有限减压能保留较多脊柱骨及韧带结构减少术后并发症。

目前机器人辅助外科手术广泛应用临床中，如全椎板切除、人工椎间盘置换术等[1-2]，首个用于骨科手术的机器人是Curexo Technology公司的Robodoc系统，该系统根据术前扫描的CT影像定制磨削方案，并基于末端力传感器实现安全控制[3]。目前有代表性的是以色列Mazor公司推出的SpineAssist系统[4]，该系统由6自由度的小型并联操作器、T型支撑架以及导航系统构成，并行操纵器在半主动模式下操作进行定位术中的手术工具。中科院深圳先进技术研究院开发的脊柱手术机器人系统由图像导航系统、控制系统和5自由度机械臂组成[5-8]，并选用猪脊椎骨为样本进行磨削实验磨削误差为0.15mm，满足脊柱手术临床需求[5]。

针对椎板减压术设计的手术机器人系统，第一节介绍机器人系统结构；第二节对机器人正逆运动学分析并求解机器人的工作空间；第三节介绍基于医学影像构建轨迹规划的实际临床环境，采用Isomap与遗传算法实现机器人磨削轨迹规划；并采用A*算法实现椎板换位过程中的轨迹规划，避免机器人在三维空间运动时与非目标区域发生碰撞。……