微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人震顫機(jī)理及其抑制方法研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人具有靈活的自由度、運(yùn)動(dòng)縮放和3D視覺等優(yōu)點(diǎn)，是高新科技與先進(jìn)醫(yī)學(xué)結(jié)合的典型產(chǎn)物。然而，在手術(shù)過程中，手術(shù)器械末端存在不同程度的震顫現(xiàn)象，降低了手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)精度，影響了手術(shù)質(zhì)量及安全性，增加了如縫合、打結(jié)等精細(xì)動(dòng)作的難度。針對(duì)上述問題，本文分析了機(jī)器人震顫產(chǎn)生的主要機(jī)理，提出了相應(yīng)的震顫抑制方法，構(gòu)建了微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器入主從控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行驗(yàn)證。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　首先，本文試圖從醫(yī)生的不光滑操作指令

2、、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)行為等角度研究震顫產(chǎn)生的機(jī)理，通過仿真及實(shí)驗(yàn)得出導(dǎo)致手術(shù)器械末端震顫現(xiàn)象的主要因素。
　　其次，針對(duì)醫(yī)生手部生理震顫現(xiàn)象，提出了基于新型零相位自適應(yīng)模糊卡爾曼濾波器(ZPAFKF)的震顫抑制方法。通過對(duì)震顫信號(hào)的零相位采集濾波并以相同幅值相反相位實(shí)時(shí)疊加至原始指令信號(hào)中，得到光滑無生理震顫的理想指令，避免了傳統(tǒng)低通濾波器容易造成有效信息丟失及相位延遲的缺點(diǎn)。
　　再次，針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)行為特別是關(guān)節(jié)內(nèi)非

3、線性摩擦導(dǎo)致的“粘滑行為”，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制器(FNNSMC)的震顫抑制方法。在傳統(tǒng)滑?？刂破鞯幕A(chǔ)上，通過對(duì)各關(guān)節(jié)摩擦力矩的離線辨識(shí)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯控制器對(duì)無關(guān)干擾的在線補(bǔ)償，得到平滑的末端運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)。避免了傳統(tǒng)PD控制器在低速狀態(tài)下“爬行”及“平頂”現(xiàn)象和傳統(tǒng)滑?？刂破髟诳刂坡汕袚Q時(shí)的“抖振”現(xiàn)象，同時(shí)構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)，證明了控制器的穩(wěn)定性。
　　最后，為驗(yàn)證以上兩種震顫抑制方法的有效性，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)