骨科機器人人機協(xié)同交互方法研究及控制系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、因機器人輔助的外科手術(shù)可以改善醫(yī)生工效，提高病人福祉等優(yōu)勢，自1985年第一例機器人輔助手術(shù)開始，得到了醫(yī)院醫(yī)生、醫(yī)療機構(gòu)、機器人研究者及產(chǎn)業(yè)界的極大支持和推動，成為生物醫(yī)學工程和機器人研發(fā)的熱點領(lǐng)域。但復雜系統(tǒng)的引入，也同時對醫(yī)生技能和醫(yī)療機器人系統(tǒng)研發(fā)都提出了更多的挑戰(zhàn)。研究表明，目前機器人應用是作為醫(yī)生作業(yè)的智能工具被引入醫(yī)療領(lǐng)域的，因而人-機器人協(xié)同交互問題成為限制醫(yī)療機器人進入醫(yī)療領(lǐng)域的一個障礙。
　　基于此，針對骨科手

2、術(shù)應用需求，課題組自主設計了輕量化人機協(xié)同交互式骨科機器人。目標是使機器人能夠輔助醫(yī)生在手術(shù)規(guī)劃監(jiān)控以及路徑引導、虛擬夾具等限制下，共同完成骨科手術(shù)，讓醫(yī)生感覺機器人是在其安全保障下的自由操作手術(shù)工具。
　　本文首先針對已經(jīng)設計的輕量型六自由度機械臂進行系統(tǒng)建模分析，為骨科手術(shù)人機協(xié)同方法和控制實現(xiàn)提供運動學基礎(chǔ)。主要進行了基于D-H矩陣的機器人建模，完成正逆運動學的求解，并通過求解雅克比矩陣進行速度變換，獲得機器人末端位置、速度

3、與關(guān)節(jié)角度、速度的變換關(guān)系。在運動分析的基礎(chǔ)上利用蒙特卡洛法繪制機器人的工作空間，并通過比較雅克比矩陣條件數(shù)的大小來檢索工作空間內(nèi)的奇異位置點。
　　在此基礎(chǔ)上，采用基于速度控制的導納控制方法及基于虛擬夾具技術(shù)的安全策略實現(xiàn)人機協(xié)同交互方法的研究。建立了基于導納控制的三級導納增益參數(shù)模型，以提升控制系統(tǒng)整體的速度變化和交互性能。針對骨科手術(shù)特點，建立了引導型和禁止型虛擬夾具模型，完成了基于虛擬夾具的手術(shù)安全策略和建模方法研究。

4、r>　　再次，針對人機協(xié)同交互實現(xiàn)時運算復雜且對實時性要求高的特征，采用基于TwinCAT的實時控制系統(tǒng)軟件和基于高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT總線通信的軟硬件控制方案，并進行了實現(xiàn)。利用VC完成控制操作界面、實時顯示、運動學算法、協(xié)同交互運動和傳感器集成算法等的開發(fā)。完成控制系統(tǒng)軟硬件設計、選型，實現(xiàn)、裝配、調(diào)試，并進行機器人精度標定實驗。
　　最后，搭建人機協(xié)同交互驗證平臺。首先進行控制系統(tǒng)軟硬件和運動控制功能測試，驗證系統(tǒng)各