基于模型的力反饋主手力位補(bǔ)償研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人已成為力反饋遙操作機(jī)器人研究中的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，并且在未來的醫(yī)療服務(wù)中更具價(jià)值性和應(yīng)用前景。真實(shí)的力覺感知與對運(yùn)動(dòng)位置的精確遙操作是微創(chuàng)外科手術(shù)極為重要的兩個(gè)方面，其直接影響到醫(yī)生能否真實(shí)感知手術(shù)器械與患者組織之間的相互作用力，從而更好地更安全地操作力反饋主手，實(shí)施恰當(dāng)?shù)牧刂菩袨?。目前微?chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)存在的主要問題是缺乏力覺臨場感，存在著主手附加力和主手附加位移，使醫(yī)生不能真實(shí)的感知反饋力信息以及對運(yùn)動(dòng)位置的

2、精確遙操作，從而降低了微創(chuàng)外科手術(shù)的質(zhì)量、精度與安全。本文針對上述問題，對力反饋主手附加力以及附加位移進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除主手附加力對醫(yī)生感知反饋力造成的影響以及消除主手附加位移對從手精確定位的影響，進(jìn)而提高微創(chuàng)手術(shù)的質(zhì)量和安全。本文的主要研究工作如下:
　　首先，基于Kane方程推導(dǎo)了力反饋主手的動(dòng)力學(xué)模型。建立準(zhǔn)確的完整力反饋主手動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)主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)。利用Kane方程動(dòng)

3、力學(xué)建模方法，建立計(jì)及力反饋主手的連桿重力、關(guān)節(jié)摩擦力以及慣性力的完整動(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)。
　　然后，進(jìn)行了基于模型的力反饋主手附加力補(bǔ)償策略的研究。在微創(chuàng)外科手術(shù)中，使醫(yī)生獲得良好的力覺臨場感，感知真實(shí)的反饋力信息對整個(gè)微創(chuàng)手術(shù)過程中是極為重要的。基于力反饋主手的完整動(dòng)力學(xué)模型，建立了力反饋主手的重力補(bǔ)償模型、關(guān)節(jié)摩擦力補(bǔ)償模型以及慣性力補(bǔ)償模型，通過主手附加力補(bǔ)償策略，消除因力反饋主手動(dòng)力學(xué)特

4、性對醫(yī)生感知反饋力造成的干擾，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生的真實(shí)力覺感知，從而實(shí)施恰當(dāng)?shù)牧刂菩袨?，提高手術(shù)的精度、質(zhì)量與安全。
　　最后，對反饋力對主手生成遙操作位置指令的影響進(jìn)行了分析，并確定了主手附加位移補(bǔ)償策略。分析了微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在位置-力控制結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的主手附加位移，產(chǎn)生的主手附加位移使得主手生成了不精確的位置指令，最終將引起微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)位置的不精確遙操作。仿真結(jié)果表明:因反饋力引起的主手附加位移對主手生成遙操作位