面向心臟手術醫(yī)療機器人的異構式主從控制研究.pdf

1、我國冠心病的發(fā)病率每年都在上升，而心臟搭橋手術作為傳統(tǒng)的冠心病治療手段存在諸多缺點：創(chuàng)傷大，術后恢復慢而且并發(fā)癥多。心臟手術機器人作為一種新型的心臟搭橋手術器械，因其準確、可控且無疲勞問題等特點，能夠很有效的克服傳統(tǒng)方法的缺點，所以受到了人們的日益關注。心臟手術機器人是一個復雜的系統(tǒng)工程，涵蓋了機械機構設計、心臟跟蹤控制、心臟信號處理、以及主從式遠程控制等方面，本論文主要研究主從式遠程控制的實現(xiàn)方法。
　　主從式遠程控制是指操作者

2、利用主動控制臂（主手）在遠端通過數(shù)據線或者網絡控制手術機器人的手術臂（從手）進行操作。目前商用醫(yī)療機器人主從手遠程控制比較成熟，但是其為核心技術，不對外開放，而現(xiàn)有的已發(fā)表的機器人主從手遠程控制研究成果中，主從手的控制都被簡化，采用同構或者相同自由度的主從手結構，這極大地提高了主手的結構復雜程度和遠程控制的成本。為了解決這個問題，本論文將研究一種新的異構式主從手控制方法，實現(xiàn)低自由度低成本的主手遠程控制高自由度的從手。
　　本論文

3、，第一步建立了兩個機械臂之間的映射關系：采用笛卡爾工作空間映射，將主手的工作空間與從手的部分工作空間之間建立起一一映射的關系，節(jié)省了復雜的轉換矩陣、正逆雅可比矩陣運算時間。同時，本論文設計了從手的路徑規(guī)劃算法，由于醫(yī)生操作的環(huán)境和從手所處的手術環(huán)境是不同的，從手不僅要根據胸腔內手術的目標位置，而且要考慮周圍健康組織的位置來規(guī)劃出一條合理的路徑。本論文采用OMPL中的算法來規(guī)劃從手路徑，并結合碰撞檢測算法來檢測規(guī)劃的路徑是否與健康組織發(fā)生

4、碰撞，從而實現(xiàn)從手能夠跟隨主手同時能根據實際環(huán)境規(guī)劃路徑。此外，由于醫(yī)生在控制主手時會不自覺的發(fā)生抖動，這會影響心臟搭橋手術的準確性，本論文針對這一現(xiàn)象，在主從控制環(huán)節(jié)中加入抖動消除的環(huán)節(jié)。通過主手和振動傳感器來采集人手抖動信號，并根據人手抖動的特點采用自適應濾波進行了消除抖動的仿真。
　　最后，我們搭建了異構式主從手控制實驗平臺，主手采用三自由度的PHANToM，從手采用六自由度的串聯(lián)輕量型機械臂。實驗的結果驗證了本文所提的主從