眼科显微手术辅助机器人控制方法研究
发布时间：2021-07-07 08:33
针对眼后节手术操作复杂度高、精确度要求高、手术过程动态且不确定性强的特点,本文开展了眼科显微手术辅助机器人系统关键技术的研究,主要面向机器人辅助眼科手术中的微创口对准、进入眼内以及眼内运动等典型操作过程,解决主从控制和协同控制的核心理论和技术问题,并通过仿真与实验两种途径验证了控制方法的有效性,实现了眼科显微手术辅助机器人的精准操作。首先,本文进行了控制系统的设计。根据眼科显微手术辅助机器人的系统组成、主手和从手的结构,采用分布式运算与I/O连接的方式进行了分层式的硬件和软件结构设计,利用VS2017+Qt+Open Inventor的编译环境对人机交互层中的人机交互界面与三维虚拟交互界面进行了设计。其次,在主从控制的研究中,在RCM机构运动学的基础上提出了位姿分离式的分组控制策略,研究了主从异构的位置增量式主从控制方法。在从手运动规划中,利用三次多项式保证关节位移与速度的连续性,基于带限线性傅里叶拟合算法设计了主手的抖动滤波算法,配合主从比例映射与直线运动识别方法,实现对从手的精准控制。最后对主从控制的安全机制进行了研究。再次,在协同控制的研究中,基于导纳控制的基本原理,设计了基于力...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SMOS眼科显微手术机器人[8]
基于之前的研究成果,约翰霍普金斯大学的研究者们在手术钩的基础上设计了双刚度力传感器视网膜静脉插管工具,通过三段式的FBG力传感器布置,既能够检测巩膜处的横向力,又能够检测工具在眼内的插入深度[16],如图1-4 a)所示。哈尔滨工业大学机器人所的Zhang在访学中提出在视网膜静脉插管时引入预应力,结合导纳控制使执行器保持在血管当中[17];北京航天航空大学的He在访学中利用FBG力传感器获取到的交互力训练了递归神经网络,预测未来500ms内的巩膜力是否处于安全状态[18]。Ebrahimi等设计了面向巩膜力和插入深度的自适应控制算法,当巩膜力或插入深度达到阈值时,自适应控制算法被触发,将自动纠正巩膜力或插入深度,使执行器完成期望的安全轨迹[19]。此外,约翰霍普金斯大学的研究者们将手持式视网膜静脉注射执行器Micron与协同控制的眼科显微手术机器人SHER结合在了一起,如图1-4 b)所示。其中,Micron是一个1mm×1mm×0.5mm的三自由度微执行器,能够根据手柄处的传感器信息,激活三个压电驱动器消除手部的抖动。利用穿刺检测算法[21]与位置保持算法[22],Micron检测到对视网膜静脉的穿刺操作后,能够将注药器保持在血管中。图1-4约翰霍普金斯大学视网膜手术辅助机器人后续进展[16,21-22]
图1-3约翰霍普金斯大学视网膜手术辅助机器人[13-15]鲁汶大学的研究者们开发了一种主从控制式视网膜手术系统,提供了运动缩放、震颤补偿和力反馈功能。如图1-5 a)和1-5 b)所示,从手尺寸约为27cm×37cm×20cm,包含滚转角φ,俯仰角θ,旋转角ψ以及进给R四个自由度,其中滚转角φ和进给R分别通过电机1和电机4控制,俯仰角θ和旋转角ψ通过电机2和电机3共同控制;主手尺寸约为27cm×27cm×20cm,俯仰角θ和旋转角ψ分别通过电机1和电机4控制,进给R和滚转角φ通过电机2和电机3共同控制[23]。之后,Gijbels等设计了打靶实验验证机器人系统的定位精度,如图1-5 c)所示。眼球模型主要由实验板支架和测试板构成。其中,实验板支架通过互相垂直的α和β轴模仿眼球的旋转;测试板上设置针尖起始位置和目标位置,并设定在目标位置的停留时间超过2s才为成功[26]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微创外科手术机器人技术研究进展[J]. 付宜利,潘博. 哈尔滨工业大学学报. 2019(01)
[2]机器人在眼科手术中的应用及研究进展[J]. 贺昌岩,杨洋,梁庆丰,韩少峰. 机器人. 2019(02)
[3]Research and Realization of a Master-Slave Robotic System for Retinal Vascular Bypass Surgery[J]. Chang-Yan He,Long Huang,Yang Yang,Qing-Feng Liang,Yong-Kang Li. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(04)
[4]手术机器人的研究进展及其在临床中的应用[J]. 尹军,刘相花,唐海英,颜乐先,陈维平,徐力,周鑫,周林. 医疗卫生装备. 2017(11)
[5]辅助玻璃体视网膜显微手术机器人系统的研制及应用[J]. 陈亦棋,张超特,洪明胜,苏铃雅,陶继伟,杨洋,肖晶晶,沈丽君. 中华实验眼科杂志. 2017 (01)
[6]水下机械手轨迹规划及控制仿真研究[J]. 张钰,张奇峰,孙斌. 计算机仿真. 2016(08)
[7]达芬奇手术机器人系统及其应用[J]. 张乔冶. 医疗装备. 2016(09)
[8]医疗机器人技术发展综述[J]. 倪自强,王田苗,刘达. 机械工程学报. 2015(13)
[9]视网膜血管搭桥手术机器人系统的研究[J]. 肖晶晶,杨洋,沈丽君,陈亦棋,黄龙. 机器人. 2014(03)
[10]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 机器人. 2006(02)
博士论文
[1]微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D]. 李建民.天津大学 2012
[2]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]控制系统测试仿真软件设计与实现[D]. 蒋吉兵.电子科技大学 2013
本文编号：3269307
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SMOS眼科显微手术机器人[8]
基于之前的研究成果,约翰霍普金斯大学的研究者们在手术钩的基础上设计了双刚度力传感器视网膜静脉插管工具,通过三段式的FBG力传感器布置,既能够检测巩膜处的横向力,又能够检测工具在眼内的插入深度[16],如图1-4 a)所示。哈尔滨工业大学机器人所的Zhang在访学中提出在视网膜静脉插管时引入预应力,结合导纳控制使执行器保持在血管当中[17];北京航天航空大学的He在访学中利用FBG力传感器获取到的交互力训练了递归神经网络,预测未来500ms内的巩膜力是否处于安全状态[18]。Ebrahimi等设计了面向巩膜力和插入深度的自适应控制算法,当巩膜力或插入深度达到阈值时,自适应控制算法被触发,将自动纠正巩膜力或插入深度,使执行器完成期望的安全轨迹[19]。此外,约翰霍普金斯大学的研究者们将手持式视网膜静脉注射执行器Micron与协同控制的眼科显微手术机器人SHER结合在了一起,如图1-4 b)所示。其中,Micron是一个1mm×1mm×0.5mm的三自由度微执行器,能够根据手柄处的传感器信息,激活三个压电驱动器消除手部的抖动。利用穿刺检测算法[21]与位置保持算法[22],Micron检测到对视网膜静脉的穿刺操作后,能够将注药器保持在血管中。图1-4约翰霍普金斯大学视网膜手术辅助机器人后续进展[16,21-22]
图1-3约翰霍普金斯大学视网膜手术辅助机器人[13-15]鲁汶大学的研究者们开发了一种主从控制式视网膜手术系统,提供了运动缩放、震颤补偿和力反馈功能。如图1-5 a)和1-5 b)所示,从手尺寸约为27cm×37cm×20cm,包含滚转角φ,俯仰角θ,旋转角ψ以及进给R四个自由度,其中滚转角φ和进给R分别通过电机1和电机4控制,俯仰角θ和旋转角ψ通过电机2和电机3共同控制;主手尺寸约为27cm×27cm×20cm,俯仰角θ和旋转角ψ分别通过电机1和电机4控制,进给R和滚转角φ通过电机2和电机3共同控制[23]。之后,Gijbels等设计了打靶实验验证机器人系统的定位精度,如图1-5 c)所示。眼球模型主要由实验板支架和测试板构成。其中,实验板支架通过互相垂直的α和β轴模仿眼球的旋转;测试板上设置针尖起始位置和目标位置,并设定在目标位置的停留时间超过2s才为成功[26]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微创外科手术机器人技术研究进展[J]. 付宜利,潘博. 哈尔滨工业大学学报. 2019(01)
[2]机器人在眼科手术中的应用及研究进展[J]. 贺昌岩,杨洋,梁庆丰,韩少峰. 机器人. 2019(02)
[3]Research and Realization of a Master-Slave Robotic System for Retinal Vascular Bypass Surgery[J]. Chang-Yan He,Long Huang,Yang Yang,Qing-Feng Liang,Yong-Kang Li. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(04)
[4]手术机器人的研究进展及其在临床中的应用[J]. 尹军,刘相花,唐海英,颜乐先,陈维平,徐力,周鑫,周林. 医疗卫生装备. 2017(11)
[5]辅助玻璃体视网膜显微手术机器人系统的研制及应用[J]. 陈亦棋,张超特,洪明胜,苏铃雅,陶继伟,杨洋,肖晶晶,沈丽君. 中华实验眼科杂志. 2017 (01)
[6]水下机械手轨迹规划及控制仿真研究[J]. 张钰,张奇峰,孙斌. 计算机仿真. 2016(08)
[7]达芬奇手术机器人系统及其应用[J]. 张乔冶. 医疗装备. 2016(09)
[8]医疗机器人技术发展综述[J]. 倪自强,王田苗,刘达. 机械工程学报. 2015(13)
[9]视网膜血管搭桥手术机器人系统的研究[J]. 肖晶晶,杨洋,沈丽君,陈亦棋,黄龙. 机器人. 2014(03)
[10]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平. 机器人. 2006(02)
博士论文
[1]微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D]. 李建民.天津大学 2012
[2]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]控制系统测试仿真软件设计与实现[D]. 蒋吉兵.电子科技大学 2013
本文编号：3269307
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3269307.html
