微创手术机器人从手系统控制的研究

发布时间：2020-06-06 02:00

【摘要】：相对于传统的微创手术,机器人微创手术操作更加精细、视野更加清晰、操作更加舒适,但在手术过程中仍存在一些挑战,包括术前从手机械臂调节不灵活、术中主从操作不同步和需要频繁操控腹腔镜,以及机械臂的关节柔性和手术器械缺乏触觉交互信息(包括力觉和触觉)等问题,导致手术质量下降和手术成本的上升。针对机器人微创手术存在的这些问题,本文开展微创手术机器人从手系统控制的研究。在机器人微创手术的术前调节阶段,机械臂关节间阻力使医生很难将从手机械臂末端的手术器械插入患者体内并进行位姿调整,为此需要研究一种反向驱动控制方法来实现从手机械臂精细而灵活的手动调节。首先建立从手机械臂远心机构柔性关节动力学模型并进行参数辨识。其次,研究一种新的静摩擦补偿方法来补偿低速运动关节的静摩擦力。设计一种卡尔曼滤波器来实时估计低速运动关节的角速度和角加速度。最后,通过控制电机输出力矩来补偿从手机械臂在手动调节过程中产生的重力矩、摩擦力矩和惯性力矩,从而提高从手机械臂的反向驱动性能。在机器人微创手术的主从操作阶段,医生需要频繁切换控制对象来调整腹腔镜的位姿(以获得更好的手术视野)会分散医生的注意力,导致腹腔镜手术质量下降。为此需要研究一种手术机器人腹腔镜自动跟随运动规划的方法,以实现腹腔镜快速且光滑地跟随手术器械的运动。首先分析了从手机械臂常用运动规划方法。随后,通过分析腹腔镜的位姿调整条件和调整后的视野要求,确定腹腔镜末端点在任务空间的参考路径点和限位点,利用运动学模型得到持镜臂(夹持腹腔镜的从手机械臂)关节在关节空间对应的路径点,然后采用Chebyshev伪谱法和序列二次规划法对关节空间的路径点进行轨迹规划,以及基于时间—平滑度最优的轨迹优化。最后,通过仿真验证了Chebyshev伪谱法具有好的轨迹规划性能,且满足从手机械臂多关节在线轨迹规划与优化的性能要求。为了实现切割、缝合和打结等精细的手术操作,需要设计一种考虑关节柔性,计算效率高,能处理变量约束的控制算法,以实现从手机械臂远心机构关节精确的位置控制和振动抑制。首先通过重力补偿和变量变换实现柔性关节动力学模型的线性化,并建立其对应的状态空间模型和扩展状态空间模型。其次,基于扩展状态空间模型和状态空间模型分别设计双闭环预测函数控制算法和级联预测函数控制与比例积分控制(PFC-PI)算法,并分析了PFC-PI算法的稳定性。最后,通过对比仿真验证了PFC-PI算法具有更好的动态控制性能和振动抑制效果。由于传动回差和缺乏力反馈信息,使绳索驱动的手术器械很难进行精确的位置和力控制。为此需要研究一种基于绳轮传动的力/位置传动模型,对手术器械绳轮系统的传动回差和输出力矩进行实时精确估计。首先建立闭环绳轮系统的力/位置传动模型,并推导出绳轮系统末端执行器在夹持操作中的传动回差和输出力矩的计算公式,然后设计基于前馈回差补偿和力饱和限制的PID控制算法来实现绳轮系统安全且精确的位置控制。最后,通过绳轮系统末端执行器的夹持操作验证了所建立模型的准确性。开展微创手术机器人从手系统控制实验的研究。通过从手机械臂远心机构关节的手动调节实验和动物实验,验证了所提出的反向驱动控制方法的有效性;通过腹腔镜自动跟随运动实验,验证了所提出的腹腔镜自动跟随运动规划的有效性;通过从手机械臂远心机构关节的位置控制实验,验证了所提出的PFC-PI算法的具有好的动态控制性能和振动抑制效果;通过手术器械的夹持操作实验,验证了所建立的手术器械绳轮传动系统模型的正确性。
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微创手术,机器人,杠杆效应,腹腔镜手术

如图 1-2 所示。相比较于传统点：（1）消除了杠杆效应，实现了手眼一般腹腔镜手术视野更加清晰；（3）精，可进行更灵活的手术操作；（4）改善不易疲劳。机器人微创手术也存在一些术操作的空间要求较大，对疾病的适应部手术的应用较多，成功率也很高，，已

机器人,语音控制,腹腔镜,任务执行

第 1 章绪论声音或者脚踏来控制机械臂，从而操纵腹腔镜头来完成摄能。在复杂的运动任务中，AESOP 由于语音控制导致更使得 EndoAssist 比 AESOP 具有更快的任务执行速度，人机交互功能[5]。如图 1-4 为 AESOP 机器人系统。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

【参考文献】