基于光纖力傳感器的機器人針穿刺阻抗控制研究.pdf

1、機器人輔助針穿刺在微創(chuàng)外科手術(shù)中應(yīng)用越來越廣泛，可用于組織穿刺活檢、消融治療、近距離診療等。
　　機器人輔助針穿刺的關(guān)鍵在于針尖位置和力的精確控制。為此，論文基于光纖力傳感信息，研究了機器人輔助穿刺阻抗控制問題。主要完成了以下工作:
　　(1)光纖力傳感器的溫度補償方法。光纖傳感器集成在穿刺針的尖端，在穿刺過程中，針尖從體外刺入體內(nèi)，產(chǎn)生了溫差，導(dǎo)致傳感器信號疊加了溫度和力的影響。為了得到精確的穿刺針尖作用力，必須消除溫度對

2、光纖力傳感器的影響。這里，利用同步采集的溫度和傳感器信號實驗數(shù)據(jù)，建立補償數(shù)學(xué)模型。
　　(2)機器人輔助穿刺阻抗控制技術(shù)。所面臨的挑戰(zhàn)主要在于機器人針所穿刺的器官一般是非均勻的粘彈軟組織，在力作用下發(fā)生移位和非線性變形，難以建立精確的針與組織相互作用模型。而且，對于經(jīng)皮穿腔軟組織穿刺，針歷經(jīng)分層非連續(xù)組織介質(zhì)，它們的機械特性和邊界條件均有差異。為此，這里提出一個機器人穿刺阻抗控制策略，利用穿刺的實驗數(shù)據(jù)識別阻抗控制模型參數(shù)，通過

3、調(diào)整穿刺速度，實現(xiàn)針尖位置、針與軟組織之間相互作用力的控制。
　　(3)機器人針穿刺軟組織實驗。利用瓊脂、豬肝臟和五花肉組織樣本，進行機器人針穿刺控制實驗，驗證阻抗控制算法性能，并通過改變阻抗控制參數(shù)，觀測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。
　　論文利用一類新型光纖傳感器，實時測量穿刺針尖上的作用力，并反饋于阻抗控制器，實現(xiàn)機器人針穿刺位置/力控制。在組織樣本上的穿刺實驗結(jié)果說明了所提出的溫度補償算法能夠提高針尖穿刺力測量精度，阻