具有力覺(jué)臨場(chǎng)感的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人精確操作和動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、具有力覺(jué)臨場(chǎng)感的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，并在未來(lái)醫(yī)療領(lǐng)域中極具價(jià)值性，應(yīng)用前景極為廣泛。精確地位置控制以及真實(shí)的力覺(jué)感知是遙操作微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人極為重要的兩個(gè)功能，它能直接影響到醫(yī)生能否真實(shí)感覺(jué)手術(shù)器械與患者組織之間的相互作用力，從而更好、更加安全的操作力反饋主手，實(shí)施精確的運(yùn)動(dòng)控制。目前微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題就是缺乏力覺(jué)臨場(chǎng)感，存在主手附加力，使醫(yī)生不能真實(shí)的感知力反饋信息，從而降低了微創(chuàng)手術(shù)的質(zhì)量，

2、容易產(chǎn)生手術(shù)誤差，造成病人的意外損傷。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)新型的力反饋主手，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并對(duì)主手附加力進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高了操作精度并消除主手附加力對(duì)醫(yī)生感知力反饋造成的影響，進(jìn)一步提高微創(chuàng)手術(shù)的質(zhì)量與安全。本文主要研究工作如下:
　　首先，設(shè)計(jì)新型的力反饋主手，基于改進(jìn)型軸套力對(duì)其鋼絲繩傳動(dòng)進(jìn)行了柔性體建模與仿真，得到較為適合的傳動(dòng)方式、傳動(dòng)速度以及傳動(dòng)過(guò)程中的具體數(shù)據(jù)，為控制策略提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)建模過(guò)程中

3、采用的是ADAMS二次開(kāi)發(fā)的宏命令語(yǔ)句，方便、準(zhǔn)確的提供了一種鋼絲繩建模方法，為今后的鋼絲繩研究提供可靠平臺(tái)。其次，建立主手的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，在逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過(guò)程中設(shè)定篩選條件，得到唯一最優(yōu)解，便于主手的控制。基于人機(jī)工程學(xué)、奇異點(diǎn)、可操作度以及靈巧度理論等相關(guān)參數(shù)對(duì)主手進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使其符合工作要求，同時(shí)求取理論工作空間以及實(shí)際工作空間。
　　再次，基于拉格朗日方程推導(dǎo)了新型力反饋主手動(dòng)力學(xué)模型，建立準(zhǔn)確的力反饋主手動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)主

4、手精確力反饋的重要前提，也是操作者感知真實(shí)反饋力信息的重要基礎(chǔ)。因此在利用拉格朗日推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)建模的同時(shí)，將模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行驗(yàn)證，確定模型的準(zhǔn)確性。建立計(jì)及力反饋主手連桿重力、慣性力的完整動(dòng)力學(xué)模型，為基于動(dòng)力學(xué)模型的主手附加力補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。
　　最后，基于力反饋主手的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了附加力補(bǔ)償策略研究，微創(chuàng)手術(shù)中，使醫(yī)生獲得真實(shí)的力覺(jué)臨場(chǎng)感，感知手術(shù)過(guò)程中的力反饋信息極為重要，建立了力反饋主手的重力補(bǔ)償模型、慣性力補(bǔ)償模型