醫(yī)療機器人的信息采集與控制研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)機器人技術(shù)，在傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)的基礎(chǔ)上，將機器人技術(shù)與醫(yī)療相結(jié)合，促進了外科手術(shù)的發(fā)展。具有失血少，創(chuàng)傷小，操作精度高，靈活性強，醫(yī)生操作不易疲勞，且能去除手部抖動等諸多優(yōu)點。微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的運動控制，是自主研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，尤其對于主從式異構(gòu)機器人系統(tǒng)。本文針對已研發(fā)的微創(chuàng)外科手術(shù)機器人硬件系統(tǒng)，開展了運動控制，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.針對課題組研發(fā)的主手與從手的機械結(jié)構(gòu)進行充分

2、的分析，求出兩者的正運動學解與逆運動學解。計算主手與從手的工作空間，在理論上驗證系統(tǒng)在微創(chuàng)外科手術(shù)中存在不動點的特點下，是可行的。分析主手與從手的受力情況，確定兩者的動力學模型及其性質(zhì)，為系統(tǒng)實現(xiàn)力-位置雙向控制提供了依據(jù)。以實現(xiàn)主從運動控制為目標，提出了一種主從異構(gòu)微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)的控制方法。針對本機器人系統(tǒng)具有的多自由度、異構(gòu)的特點，提出了位姿分離的控制方案，減小計算量，提高系統(tǒng)實時性。經(jīng)過分析PID控制算法對電機控制的影響，

3、采用了模糊PID算法進行運動控制。搭建微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)的硬件控制平臺，設(shè)計了具有良好人機交互性能的軟件控制程序。經(jīng)過主從跟隨實驗的驗證，系統(tǒng)在該控制算法下，運動性能良好，基本可以滿足手術(shù)的操作要求。此外，在人機交互方面，本文設(shè)計了阿爾法濾波器對主手的抖動進行了濾波處理。實驗表明，對電機的輸出有良好的平滑效果。
　　2.針對目前微創(chuàng)外科手術(shù)遙操作機器人系統(tǒng)缺乏力覺感知的特點，本文提出了一種適用于微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)的微型力傳

4、感器的標定矩陣的標定算法。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，起到了降低標定矩陣維數(shù)的作用。設(shè)計并搭建標定平臺，完成了傳感器的靜態(tài)標定工作。利用最小二乘法進行數(shù)據(jù)分析，確定了傳感器的標定曲線和耦合系數(shù)矩陣。標定結(jié)果顯示該傳感器具有高精度，測力范圍適中等特點。將傳感器安置在從手末端，進行了豬肝力感知實驗，分別進行了碰觸、扭轉(zhuǎn)等類手術(shù)動作。實驗結(jié)果

5、表明該傳感器在精度、測力范圍上，能夠滿足微創(chuàng)外科手術(shù)中力覺感知的需要。
　　3.針對本課題組已經(jīng)研發(fā)的微創(chuàng)外科手術(shù)機器人硬件系統(tǒng)，進行了力覺反饋研究，重點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。提出了一種實現(xiàn)微創(chuàng)外科手術(shù)機器人主從系統(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時采集力覺信息，初步實現(xiàn)了微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)的力覺感知與力覺反饋功能。
　　4.本