时变时延条件下遥操作手术系统的控制研究
发布时间：2022-01-08 13:36
时延的存在将影响遥操作手术系统的稳定性与医生的临场感,本课题主要从遥操作手术系统的建模、时变时延下通信环节中的波变量方法、从端机械臂控制算法设计以及遥操作手术系统的控制与稳定性分析等几个方面对时变时延条件下遥操作手术系统控制展开研究。首先,采用指数积法对主端机械臂进行了正运动学建模,对从端机械臂进行正逆运动学建模;分析了主从端机械臂的运动空间并采用增量式法对主从机械臂建立运动学映射关系;采用拉格朗日法对从端机械臂进行了动力学建模,为设计控制算法做铺垫。其次,针对时变时延遥操作手术系统因为通信环节不满足无源条件而导致的整个遥操作手术系统不满足无源性,采用了一种改进的波变量方法进行主从数据传递,该方法保证了遥操作手术系统的无源性。改进波变量方法相比于传统波变量方法在通信时延后加入了校正波,对速度信号转化为位置信号时积分带来的误差累积做了补偿;同时采用了改进波变量控制结构来减轻波反射带来的不利影响。最后,结合波变量和基于扰动观测器的滑模控制方法实现了遥操作手术系统的控制。针对遥操作手术系统要求在手术过程中从端手术机械臂能够快速鲁棒的跟踪主端触觉机械臂的轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于扰动观测...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＲＯＢＯＤＯＣ手术机器人［１５］?图１．３?ＡＥＳＯＰ手术机器人［１６］??加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校开发了一个用于远程手术的微??
?第１章引言???局。??日本东京大学和九州大学开发了一种能够进行显微手术和远程操作的手术??机器人系统。该团队在设计主端手控器时特别注重人体工程学，如测量和研宄人??体的运动范围。主控器的设计就像用户握着一支铅笔，能够获得力反馈［２１］。??目前最成功的商业手术机器人系统ｄａＶｉｎｉｃ系统［２２］由美国的Ｉｎｔｕｎｉｔｉｖｅ??Ｓｕｒｇｉｃａｌ公司于２０００年一月成功开发，并于当年９月完成了首次临床应用并取??得成功。迄今为止，该手术系统己在多国家进行了广泛的临床应用。ｄａＶｉｎｉｃ手??晒??图１．４?２￡１？手术机器人系统［１８】??术机器人系统也是一个典型的主从式手术机器人系统，如图１．５所示。医生在主??控端（Ｍａｓｔｅｒ?Ｓｉｄｅ）通过两个手控器和脚踏板对从端（Ｓｌａｖｅ?Ｓｉｄｅ）手术机械比进行控??制。ｄａＶｉｎｉｃ手术机器人系统机械手提供了七个自由度（六个自由度用于末端执??行器的定位和定向，一个自由度用于抓取）。手术机械手末端执行器还配备力传??感器，以向外科医生提供力反溃当末端执行器在手术过程中与人体组织相交互??时，外科医生可以感受到手术器械与组织的交互力［２３］。??国外还有很多优秀的机器人手术系统，如ＡＲＴＥＭＩＳ系统［２４］，ＥｎｄｏＢｏｔ系统??［２５］等等，不在此?赘述。??国内机器人手术系统的起步较晚，但是也取得了一定的成果。如天津大学，??上海交通大学，哈尔滨工业大学等都在手术机器人系统取得了一定的科研成果。??６??
?第１章引言???图１．５?ｄａ?Ｖｉｎｉｃ手术机器人系统??天津大学开发了“妙手”显微外科手术机器人系统。该系统采用了主从异构的??主从式控制模式．同时系统具有力反馈功能，通过动物实验验证了该系统的有效??性［２６］，并于２０１０年７月通过了国内专家的认定。在“妙手”系统的基础上，天津??大学于２０１０年开发了“妙手－Ａ＇系统［２７］，并于２０１４年进一步开发了“妙手－Ｓ”系统??［２８］，如图１．６所示。？＇妙手－Ｓ＇系统的手术器械末端是同构的，轨迹跟踪最大误差??小于３毫米。??．?３?＾?．广??图１．６“妙手Ｓ”医生控制台（左）和从手台车（右）??上海交通大学开发了“祌刀华佗”微创手术机器人系统，从端对主端的响应吋??间延迟为２３．６毫秒［２９］。哈尔滨工业大学开发了“华鹊－丨ｒ型微创手术机器人系统，??该系统的手术机械臂为分体式设计，便于各手术机械臂之间独立运动不易相互??干涉岡。??国内还有很多优秀的手术机器人系统，例如北京航空航天大学的脑外科机??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]腹腔微创手术机器人的主从控制[J]. 牛国君,曲翠翠,潘博,付宜利. 机器人. 2019(04)
[2]紧凑型微创手术机器人的设计与实现[J]. 孔康,王树新,张淮锋,李建民. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(11)
[3]达芬奇机器人手术系统——原理、系统组成及应用[J]. 张伟. 中国医疗器械信息. 2015(03)
[4]各种知识高度融合的两部划时代大作——戴建生教授的新著《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》与《旋量理论与李群、李代数》[J]. 邹慧君. 机械设计与研究. 2014(04)
[5]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[6]遥操作脑立体定向手术的临床初步应用[J]. 田增民,卢旺盛,王田苗,刘达,陈延,张国来,赵全军,白茫茫,尹丰. 中华外科杂志. 2007(24)
[7]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)
硕士论文
[1]遥操作机器人的有限时间控制算法研究[D]. 杨瑨.南昌大学 2019
本文编号：3576651
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?ＲＯＢＯＤＯＣ手术机器人［１５］?图１．３?ＡＥＳＯＰ手术机器人［１６］??加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校开发了一个用于远程手术的微??
?第１章引言???局。??日本东京大学和九州大学开发了一种能够进行显微手术和远程操作的手术??机器人系统。该团队在设计主端手控器时特别注重人体工程学，如测量和研宄人??体的运动范围。主控器的设计就像用户握着一支铅笔，能够获得力反馈［２１］。??目前最成功的商业手术机器人系统ｄａＶｉｎｉｃ系统［２２］由美国的Ｉｎｔｕｎｉｔｉｖｅ??Ｓｕｒｇｉｃａｌ公司于２０００年一月成功开发，并于当年９月完成了首次临床应用并取??得成功。迄今为止，该手术系统己在多国家进行了广泛的临床应用。ｄａＶｉｎｉｃ手??晒??图１．４?２￡１？手术机器人系统［１８】??术机器人系统也是一个典型的主从式手术机器人系统，如图１．５所示。医生在主??控端（Ｍａｓｔｅｒ?Ｓｉｄｅ）通过两个手控器和脚踏板对从端（Ｓｌａｖｅ?Ｓｉｄｅ）手术机械比进行控??制。ｄａＶｉｎｉｃ手术机器人系统机械手提供了七个自由度（六个自由度用于末端执??行器的定位和定向，一个自由度用于抓取）。手术机械手末端执行器还配备力传??感器，以向外科医生提供力反溃当末端执行器在手术过程中与人体组织相交互??时，外科医生可以感受到手术器械与组织的交互力［２３］。??国外还有很多优秀的机器人手术系统，如ＡＲＴＥＭＩＳ系统［２４］，ＥｎｄｏＢｏｔ系统??［２５］等等，不在此?赘述。??国内机器人手术系统的起步较晚，但是也取得了一定的成果。如天津大学，??上海交通大学，哈尔滨工业大学等都在手术机器人系统取得了一定的科研成果。??６??
?第１章引言???图１．５?ｄａ?Ｖｉｎｉｃ手术机器人系统??天津大学开发了“妙手”显微外科手术机器人系统。该系统采用了主从异构的??主从式控制模式．同时系统具有力反馈功能，通过动物实验验证了该系统的有效??性［２６］，并于２０１０年７月通过了国内专家的认定。在“妙手”系统的基础上，天津??大学于２０１０年开发了“妙手－Ａ＇系统［２７］，并于２０１４年进一步开发了“妙手－Ｓ”系统??［２８］，如图１．６所示。？＇妙手－Ｓ＇系统的手术器械末端是同构的，轨迹跟踪最大误差??小于３毫米。??．?３?＾?．广??图１．６“妙手Ｓ”医生控制台（左）和从手台车（右）??上海交通大学开发了“祌刀华佗”微创手术机器人系统，从端对主端的响应吋??间延迟为２３．６毫秒［２９］。哈尔滨工业大学开发了“华鹊－丨ｒ型微创手术机器人系统，??该系统的手术机械臂为分体式设计，便于各手术机械臂之间独立运动不易相互??干涉岡。??国内还有很多优秀的手术机器人系统，例如北京航空航天大学的脑外科机??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]腹腔微创手术机器人的主从控制[J]. 牛国君,曲翠翠,潘博,付宜利. 机器人. 2019(04)
[2]紧凑型微创手术机器人的设计与实现[J]. 孔康,王树新,张淮锋,李建民. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(11)
[3]达芬奇机器人手术系统——原理、系统组成及应用[J]. 张伟. 中国医疗器械信息. 2015(03)
[4]各种知识高度融合的两部划时代大作——戴建生教授的新著《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》与《旋量理论与李群、李代数》[J]. 邹慧君. 机械设计与研究. 2014(04)
[5]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[6]遥操作脑立体定向手术的临床初步应用[J]. 田增民,卢旺盛,王田苗,刘达,陈延,张国来,赵全军,白茫茫,尹丰. 中华外科杂志. 2007(24)
[7]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)
硕士论文
[1]遥操作机器人的有限时间控制算法研究[D]. 杨瑨.南昌大学 2019
本文编号：3576651
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