面向手术机器人针穿刺的虚拟力反馈装置设计与控制
发布时间：2021-10-13 05:06
针穿刺技术在医疗领域应用广泛。传统的穿刺方式是由医生在图像引导下手动将针刺入体内,这导致医生长期暴露在射线环境中。机器人辅助遥操作针穿刺系统是一种可以防止医生长期暴露在X射线下的有效方式。当患者躺在CT室内时,穿刺的位置和深度由远端的医生通过遥操作的主手端控制。研究表明,在遥操作中为操作者提供实时力觉反馈能让操作过程更加安全、高效,并能提高操作精度。在穿刺过程中,通过力反馈装置能够将远端的力信号传递给人手。本文设计了一种面向手术机器人针穿刺的2自由度力反馈装置,主要包含以下工作:首先,结合针穿刺力学特点与人机交互机构的运动规律,开展了 2自由度针穿刺力反馈机构的机械设计,机电传动模型的建模与选型工作。其次,引入针穿刺中的解析理论模型对穿刺过程中针和软组织力学特性开展实验分析,分别选取鸡肉与猪瘦肉,对穿刺针直径和穿刺速度对软组织穿刺力的影响进行实验研究。再而,结合针穿刺的力学特点,提出了一种新的针穿刺反馈力控制算法。该算法包括两个闭环控制,内环是高带宽的电机电流控制以提升响应速率,外环是PID力控制来实现穿刺力的在主手装置的精确再现。对力控制算法的稳定性进行分析,并通过LABVIEW进行...
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＣＴ引导下的穿刺手术??
第一章绪论??臂组成。如图１．４所示。第二节悬臂末端装有机械腕，可围绕三轴旋转，对装置??自身的重量有进行精确的测量补偿。Ｖｉｒｔｕｏｓｅ?６Ｄ可以在６自由度（３个平移、３??个旋转）上均可呈现力反馈效果。其工作空间在４５?ｄｍ３范围，相当于人体前臂??活动的操作空间，每个悬臂长度为４５ｃｍ。最大施力承载为３５Ｎ?（连续施力??５Ｎ），可以模拟对重物的处理。最大旋转施力承载为３Ｎｍ?（连续施力ＩＮｍ），??可对大型的虚拟物件进行双手操作模拟。但同样的由于过大的外形尺寸，体积??和冗余度，因此不如Ｐｈａｎｔｏｍ灵活。??％?ｍｌ??图１．４法国Ｈａｐｔｉｏｎ公司的Ｖｉｒｔｕｏｓｅ?６Ｄ力反馈装置１１６１??瑞士?Ｆｏｒｃｅ?Ｄｅｍｅｎｓｉｏｎ公司的０ＭＥＧＡ７，凭借其优秀的抓取延伸性能，是??目前应用较多的触觉装置之一［１７］，如图１．５所示。其末端执行器覆盖了人类手??部的自然运动范围
??２００５年，中国科学院自动化研宄所设计出一种用于虚拟外科手术系统的虚??拟手术刀仿真器［２２］。如图１．６所示，该手术刀能给医生在操作手术刀时，反馈??手指关节上的力。它突出的优点是在使用上接近真实手术刀结构简单，并且运??动灵活。其反馈力控制策略采用了先进的控制模型和ＰＩＤ控制算法相结合，具??有高精度和实时性。但是具体的效果还缺乏实验验证。??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟手术力反馈装置反馈力内模控制[J]. 武博,蔡萍,胡陟,蒋峻,谢叻. 计算机工程与应用. 2011(24)
[2]基于肝脏力模型的机器人辅助进针策略[J]. 孙银山,吴冬梅,杜志江,孙立宁. 机器人. 2011(01)
[3]支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统[J]. 潘家辉,鲍苏苏,朱志有,廖其光,段秀丽. 计算机工程. 2008(21)
[4]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)
[5]基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器[J]. 付玉锦,原魁,杜清秀. 计算机工程与应用. 2005(19)
[6]支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统[J]. 王勇军,吴鹏,郭光友,谭珂. 系统仿真学报. 2001(03)
[7]基于阻抗控制的自适应力跟踪方法[J]. 李杰,韦庆,常文森,张彭. 机器人. 1999(01)
博士论文
[1]面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究[D]. 唐奥林.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]基于力反馈与沉浸式虚拟现实技术的脊柱外科手术训练系统研究[D]. 潘显纬.第二军医大学 2017
[2]面向外科手术的力反馈型遥操作主手研究[D]. 李长军.哈尔滨工业大学 2010
[3]腹腔微创手术机器人主从控制研究[D]. 谢琦.哈尔滨工业大学 2010
[4]腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究[D]. 周文亮.天津大学 2009
[5]具有力反馈的虚拟手术设备的研究与实现[D]. 宋亚冲.上海交通大学 2009
[6]基于力反馈的虚拟手术器械的设计与研究[D]. 张艳.上海交通大学 2008
[7]喉部手术机器人主从控制与实验系统的研究开发[D]. 郭岳山.天津大学 2007
[8]显微外科手术机器人系统主操作手设计与研究[D]. 王辉.天津大学 2004
本文编号：3434007
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＣＴ引导下的穿刺手术??
第一章绪论??臂组成。如图１．４所示。第二节悬臂末端装有机械腕，可围绕三轴旋转，对装置??自身的重量有进行精确的测量补偿。Ｖｉｒｔｕｏｓｅ?６Ｄ可以在６自由度（３个平移、３??个旋转）上均可呈现力反馈效果。其工作空间在４５?ｄｍ３范围，相当于人体前臂??活动的操作空间，每个悬臂长度为４５ｃｍ。最大施力承载为３５Ｎ?（连续施力??５Ｎ），可以模拟对重物的处理。最大旋转施力承载为３Ｎｍ?（连续施力ＩＮｍ），??可对大型的虚拟物件进行双手操作模拟。但同样的由于过大的外形尺寸，体积??和冗余度，因此不如Ｐｈａｎｔｏｍ灵活。??％?ｍｌ??图１．４法国Ｈａｐｔｉｏｎ公司的Ｖｉｒｔｕｏｓｅ?６Ｄ力反馈装置１１６１??瑞士?Ｆｏｒｃｅ?Ｄｅｍｅｎｓｉｏｎ公司的０ＭＥＧＡ７，凭借其优秀的抓取延伸性能，是??目前应用较多的触觉装置之一［１７］，如图１．５所示。其末端执行器覆盖了人类手??部的自然运动范围
??２００５年，中国科学院自动化研宄所设计出一种用于虚拟外科手术系统的虚??拟手术刀仿真器［２２］。如图１．６所示，该手术刀能给医生在操作手术刀时，反馈??手指关节上的力。它突出的优点是在使用上接近真实手术刀结构简单，并且运??动灵活。其反馈力控制策略采用了先进的控制模型和ＰＩＤ控制算法相结合，具??有高精度和实时性。但是具体的效果还缺乏实验验证。??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟手术力反馈装置反馈力内模控制[J]. 武博,蔡萍,胡陟,蒋峻,谢叻. 计算机工程与应用. 2011(24)
[2]基于肝脏力模型的机器人辅助进针策略[J]. 孙银山,吴冬梅,杜志江,孙立宁. 机器人. 2011(01)
[3]支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统[J]. 潘家辉,鲍苏苏,朱志有,廖其光,段秀丽. 计算机工程. 2008(21)
[4]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)
[5]基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器[J]. 付玉锦,原魁,杜清秀. 计算机工程与应用. 2005(19)
[6]支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统[J]. 王勇军,吴鹏,郭光友,谭珂. 系统仿真学报. 2001(03)
[7]基于阻抗控制的自适应力跟踪方法[J]. 李杰,韦庆,常文森,张彭. 机器人. 1999(01)
博士论文
[1]面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究[D]. 唐奥林.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]基于力反馈与沉浸式虚拟现实技术的脊柱外科手术训练系统研究[D]. 潘显纬.第二军医大学 2017
[2]面向外科手术的力反馈型遥操作主手研究[D]. 李长军.哈尔滨工业大学 2010
[3]腹腔微创手术机器人主从控制研究[D]. 谢琦.哈尔滨工业大学 2010
[4]腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究[D]. 周文亮.天津大学 2009
[5]具有力反馈的虚拟手术设备的研究与实现[D]. 宋亚冲.上海交通大学 2009
[6]基于力反馈的虚拟手术器械的设计与研究[D]. 张艳.上海交通大学 2008
[7]喉部手术机器人主从控制与实验系统的研究开发[D]. 郭岳山.天津大学 2007
[8]显微外科手术机器人系统主操作手设计与研究[D]. 王辉.天津大学 2004
本文编号：3434007
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