醫(yī)療機(jī)器人的信息采集與控制研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)，在傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)的基礎(chǔ)上，將機(jī)器人技術(shù)與醫(yī)療相結(jié)合，促進(jìn)了外科手術(shù)的發(fā)展。具有失血少，創(chuàng)傷小，操作精度高，靈活性強(qiáng)，醫(yī)生操作不易疲勞，且能去除手部抖動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，是自主研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，尤其對(duì)于主從式異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。本文針對(duì)已研發(fā)的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)，開展了運(yùn)動(dòng)控制，力覺感知與力覺反饋功能等關(guān)鍵技術(shù)的研究，內(nèi)容主要如下：
　　1.針對(duì)課題組研發(fā)的主手與從手的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分

2、的分析，求出兩者的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解。計(jì)算主手與從手的工作空間，在理論上驗(yàn)證系統(tǒng)在微創(chuàng)外科手術(shù)中存在不動(dòng)點(diǎn)的特點(diǎn)下，是可行的。分析主手與從手的受力情況，確定兩者的動(dòng)力學(xué)模型及其性質(zhì)，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)力-位置雙向控制提供了依據(jù)。以實(shí)現(xiàn)主從運(yùn)動(dòng)控制為目標(biāo)，提出了一種主從異構(gòu)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的控制方法。針對(duì)本機(jī)器人系統(tǒng)具有的多自由度、異構(gòu)的特點(diǎn)，提出了位姿分離的控制方案，減小計(jì)算量，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。經(jīng)過分析PID控制算法對(duì)電機(jī)控制的影響，

3、采用了模糊PID算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。搭建微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了具有良好人機(jī)交互性能的軟件控制程序。經(jīng)過主從跟隨實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，系統(tǒng)在該控制算法下，運(yùn)動(dòng)性能良好，基本可以滿足手術(shù)的操作要求。此外，在人機(jī)交互方面，本文設(shè)計(jì)了阿爾法濾波器對(duì)主手的抖動(dòng)進(jìn)行了濾波處理。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)電機(jī)的輸出有良好的平滑效果。
　　2.針對(duì)目前微創(chuàng)外科手術(shù)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)缺乏力覺感知的特點(diǎn)，本文提出了一種適用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的微型力傳

4、感器的標(biāo)定矩陣的標(biāo)定算法。利用有限元分析法，分析了傳感器在不同力、力矩下的應(yīng)變，及其靈敏度和維間耦合。根據(jù)分析結(jié)果，選擇不同的電橋輸出組合與某一力向量映射，起到了降低標(biāo)定矩陣維數(shù)的作用。設(shè)計(jì)并搭建標(biāo)定平臺(tái)，完成了傳感器的靜態(tài)標(biāo)定工作。利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定了傳感器的標(biāo)定曲線和耦合系數(shù)矩陣。標(biāo)定結(jié)果顯示該傳感器具有高精度，測(cè)力范圍適中等特點(diǎn)。將傳感器安置在從手末端，進(jìn)行了豬肝力感知實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了碰觸、扭轉(zhuǎn)等類手術(shù)動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、表明該傳感器在精度、測(cè)力范圍上，能夠滿足微創(chuàng)外科手術(shù)中力覺感知的需要。
　　3.針對(duì)本課題組已經(jīng)研發(fā)的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)，進(jìn)行了力覺反饋研究，重點(diǎn)探討了采集到的力覺信息如何在主手設(shè)備上再現(xiàn)。探索了力信息與力矩電流之間的關(guān)系，確定兩者呈線性關(guān)系。提出了一種實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人主從系統(tǒng)的力覺感知與力覺反饋功能的算法。利用六維力傳感器實(shí)時(shí)采集力覺信息，初步實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的力覺感知與力覺反饋功能。
　　4.本