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開始，得到了醫(yī)院醫(yī)生、醫(yī)療機構、機器人研究者及產業(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)療領域的一個障礙。
　　基于此，針對骨科手

2、術應用需求，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，讓醫(yī)生感覺機器人是在其安全保障下的自由操作手術工具。
　　本文首先針對已經設計的輕量型六自由度機械臂進行系統(tǒng)建模分析，為骨科手術人機協(xié)同方法和控制實現(xiàn)提供運動學基礎。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、與關節(jié)角度、速度的變換關系。在運動分析的基礎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的奇異位置點。
　　在此基礎上，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