骨科機(jī)器人人機(jī)協(xié)同交互方法研究及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、因機(jī)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(shì)，自1985年第一例機(jī)器人輔助手術(shù)開始，得到了醫(yī)院醫(yī)生、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、機(jī)器人研究者及產(chǎn)業(yè)界的極大支持和推動(dòng)，成為生物醫(yī)學(xué)工程和機(jī)器人研發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。但復(fù)雜系統(tǒng)的引入，也同時(shí)對(duì)醫(yī)生技能和醫(yī)療機(jī)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(jī)器人應(yīng)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(jī)器人協(xié)同交互問(wèn)題成為限制醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)障礙。
　　基于此，針對(duì)骨科手

2、術(shù)應(yīng)用需求，課題組自主設(shè)計(jì)了輕量化人機(jī)協(xié)同交互式骨科機(jī)器人。目標(biāo)是使機(jī)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(dǎo)、虛擬夾具等限制下，共同完成骨科手術(shù)，讓醫(yī)生感覺(jué)機(jī)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(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的輕量型六自由度機(jī)械臂進(jìn)行系統(tǒng)建模分析，為骨科手術(shù)人機(jī)協(xié)同方法和控制實(shí)現(xiàn)提供運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)。主要進(jìn)行了基于D-H矩陣的機(jī)器人建模，完成正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解，并通過(guò)求解雅克比矩陣進(jìn)行速度變換，獲得機(jī)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(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上利用蒙特卡洛法繪制機(jī)器人的工作空間，并通過(guò)比較雅克比矩陣條件數(shù)的大小來(lái)檢索工作空間內(nèi)的奇異位置點(diǎn)。
　　在此基礎(chǔ)上，采用基于速度控制的導(dǎo)納控制方法及基于虛擬夾具技術(shù)的安全策略實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同交互方法的研究。建立了基于導(dǎo)納控制的三級(jí)導(dǎo)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(duì)骨科手術(shù)特點(diǎn)，建立了引導(dǎo)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(duì)人機(jī)協(xié)同交互實(shí)現(xiàn)時(shí)運(yùn)算復(fù)雜且對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的特征，采用基于TwinCAT的實(shí)時(shí)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(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。利用VC完成控制操作界面、實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)動(dòng)學(xué)算法、協(xié)同交互運(yùn)動(dòng)和傳感器集成算法等的開發(fā)。完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、選型，實(shí)現(xiàn)、裝配、調(diào)試，并進(jìn)行機(jī)器人精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。
　　最后，搭建人機(jī)協(xié)同交互驗(yàn)證平臺(tái)。首先進(jìn)行控制系統(tǒng)軟硬件和運(yùn)動(dòng)控制功能測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)各