力反馈手术刀主动反馈控制技术研究
发布时间：2022-01-15 07:35
近年来,遥操作微创手术机器人辅助医生完成手术获得了广泛的研究与认可,解决了传统微创手术中医生所处的操作环境不舒适及操作精确度不理想等问题。具有力反馈的遥操作微创手术机器人更是当前研究的热点与难题。本文针对脊柱外科手术遥操作机械手系统,为使手术刀置刀的手感在主手得以复现,对力反馈主手及力反馈控制策略进行了研究。首先,介绍了脊柱外科手术遥操作机械手系统的总体布局,选定主手由改进后的Delta并联构型和三轴交汇串联构型构成,提出小力矩高转速电机与高传动比传动系统组合的方案驱动主手,为消除齿轮间摩擦力利用钢丝绳预紧的方式改进了传动装置。然后,根据力反馈主手的实际应用背景,对主手的驱动电机、减速箱、编码器及传感器进行了选择;在系统构架的基础上对从机械手末端传感器检测到的力信号进行滤波、传感器标定及重力补偿,以保证反馈给主手真实的力信号。其次,对主手进行了正逆运动学求解及相关理论分析,并利用虚功原理建立了主手的动力学模型,得出主手驱动力矩与输出反馈力间的关系表达式,为之后的主动控制技术仿真与分析奠定了基础。最后,基于主动力/位置控制中阻抗控制算法,针对阻抗控制需要对环境参数精确掌握的不足,设计了的...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
RoboDoc手术机器人系统
1.2.1 骨科微创手术机器人研究现状根据骨科手术的特殊性及当前医疗水平，同时结合骨骼不同于其他软组织的刚体特性及保证高度精确性、稳定及安全的手术操作，如何将技术成熟的机器人系统应用于骨科的特殊环境并满足临床要求成为科研工作者面临的巨大挑战。国内外的学者对骨科微创外科手术进行了长期研究，主要包括骨科手术机器人典型代表 Robot Doc 系统、Acrobot 系统、以色列 Technion 团队开发了 Spine Assist 系统、美国 GeorgetowUniversity 大学研制 4 自由度机器人 B-RobII、天智航与北京积水潭骨科医院研制的天玑骨科手术机器人、新桥医院联合中国科学院沈阳自动化研究所研发的脊柱微创手术机器人系统原理样机等。美国综合手术系统公司研发的 RoboDoc 系统，如图 1.1 所示。主要用于辅助骨骼和假体的成形、位置追踪和置入。该机器人系统可根据 CT 传递骨骼信息建立骨骼的三维立体图形，帮助骨科医生计算出比人为估算更加精准的置入人体病灶点的路径，给出可行的手术方案[10,11,12]。虽然利用该系统手术能够达到传统手术的效果，但系统故障手术处理时间长、坐骨神经损伤等缺点限制其广泛临床应用，该机器人系统多用于关节及创伤型手术。
有效的降低了椎弓根螺钉位置不正及术中放射暴露，螺钉置入位置的准确率高达 98.5以上，但是，Spine Assist 系统的不足之处是在置入螺钉时要耗费漫长的校对与配准时间，并且在手术之前需要将框架固定在病患身上进行定位，使得手术创伤面积增大，影响术后恢复效果，并联结构的系统设计也限制了该系统的工作空间。
【参考文献】：
期刊论文
[1]脊柱微创主从式手术机器人阻抗控制系统研制[J]. 路明,赵忆文,姜运祥. 机器人. 2017(03)
[2]手术机器人系统在骨科的应用[J]. 张军良,周幸,吴苏稼. 中国矫形外科杂志. 2015(22)
[3]基于ESN的CPG模型力反馈设计与分析[J]. 向馗,孙漫漫,孙建,葛运建. 华中科技大学学报(自然科学版). 2013(S1)
[4]CT与C型臂辅助遥控型脊柱微创手术机器人系统打孔可靠性研究[J]. 张鹤,王洪伟,韩建达,赵忆文,周跃. 第三军医大学学报. 2012(13)
[5]脊柱微创手术机器人研究现状[J]. 韩建达,宋国立,赵忆文,张鹤. 机器人技术与应用. 2011(04)
[6]微创外科手术机器人关键技术与研究现状综述[J]. 丁钰沣. 机械工程师. 2011(02)
[7]基于无源性的不确定机器人的力控制[J]. 温淑焕,袁俊英. 物理学报. 2010(03)
[8]受限机械臂的自适应小波滑模位置/力混合控制[J]. 周芳,朱齐丹,姜迈,汪瞳. 华中科技大学学报(自然科学版). 2009(11)
[9]3-RTT并联机构的奇异轨迹分析[J]. 张晓洪,张均富,夏重. 工程设计学报. 2007(04)
[10]3-PUU三维平动并联机器人的位置分析及其仿真[J]. 郭宗和,孙术华,郝秀清,牛国栋,李连升. 中国机械工程. 2006(17)
博士论文
[1]脊柱微创手术机器人系统（遥控型）及关键技术研究[D]. 张鹤.第三军医大学 2012
[2]机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D]. 李正义.华中科技大学 2011
[3]六自由度力反馈双向伺服控制策略研究[D]. 陈铁华.吉林大学 2010
[4]多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究[D]. 兰天.哈尔滨工业大学 2010
[5]双向液压伺服遥操作机器人的力觉临场感技术研究[D]. 文广.吉林大学 2008
硕士论文
[1]通用力反馈设备的自适应阻抗控制仿真研究[D]. 温彬彬.北京交通大学 2017
[2]液压足式机器人单关节柔顺控制的研究[D]. 夏江.哈尔滨工业大学 2017
[3]力反馈主手设计及主从操作技术研究[D]. 姜运祥.燕山大学 2014
[4]高压带电作业机器人作业机械臂的设计及优化[D]. 马孝林.山东建筑大学 2014
[5]基于力反馈的主从式机器人辅助脊椎穿刺手术系统[D]. 盛国栋.上海交通大学 2014
[6]微创手术机器人力反馈主手设计与仿真[D]. 杨扬.哈尔滨工业大学 2013
[7]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
[8]手术机器人主手力感问题的研究[D]. 韩轩.天津大学 2009
[9]基于虚拟现实技术的力觉交互设备的研究与构建[D]. 李国杰.上海交通大学 2008
本文编号：3590193
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
RoboDoc手术机器人系统
1.2.1 骨科微创手术机器人研究现状根据骨科手术的特殊性及当前医疗水平，同时结合骨骼不同于其他软组织的刚体特性及保证高度精确性、稳定及安全的手术操作，如何将技术成熟的机器人系统应用于骨科的特殊环境并满足临床要求成为科研工作者面临的巨大挑战。国内外的学者对骨科微创外科手术进行了长期研究，主要包括骨科手术机器人典型代表 Robot Doc 系统、Acrobot 系统、以色列 Technion 团队开发了 Spine Assist 系统、美国 GeorgetowUniversity 大学研制 4 自由度机器人 B-RobII、天智航与北京积水潭骨科医院研制的天玑骨科手术机器人、新桥医院联合中国科学院沈阳自动化研究所研发的脊柱微创手术机器人系统原理样机等。美国综合手术系统公司研发的 RoboDoc 系统，如图 1.1 所示。主要用于辅助骨骼和假体的成形、位置追踪和置入。该机器人系统可根据 CT 传递骨骼信息建立骨骼的三维立体图形，帮助骨科医生计算出比人为估算更加精准的置入人体病灶点的路径，给出可行的手术方案[10,11,12]。虽然利用该系统手术能够达到传统手术的效果，但系统故障手术处理时间长、坐骨神经损伤等缺点限制其广泛临床应用，该机器人系统多用于关节及创伤型手术。
有效的降低了椎弓根螺钉位置不正及术中放射暴露，螺钉置入位置的准确率高达 98.5以上，但是，Spine Assist 系统的不足之处是在置入螺钉时要耗费漫长的校对与配准时间，并且在手术之前需要将框架固定在病患身上进行定位，使得手术创伤面积增大，影响术后恢复效果，并联结构的系统设计也限制了该系统的工作空间。
【参考文献】：
期刊论文
[1]脊柱微创主从式手术机器人阻抗控制系统研制[J]. 路明,赵忆文,姜运祥. 机器人. 2017(03)
[2]手术机器人系统在骨科的应用[J]. 张军良,周幸,吴苏稼. 中国矫形外科杂志. 2015(22)
[3]基于ESN的CPG模型力反馈设计与分析[J]. 向馗,孙漫漫,孙建,葛运建. 华中科技大学学报(自然科学版). 2013(S1)
[4]CT与C型臂辅助遥控型脊柱微创手术机器人系统打孔可靠性研究[J]. 张鹤,王洪伟,韩建达,赵忆文,周跃. 第三军医大学学报. 2012(13)
[5]脊柱微创手术机器人研究现状[J]. 韩建达,宋国立,赵忆文,张鹤. 机器人技术与应用. 2011(04)
[6]微创外科手术机器人关键技术与研究现状综述[J]. 丁钰沣. 机械工程师. 2011(02)
[7]基于无源性的不确定机器人的力控制[J]. 温淑焕,袁俊英. 物理学报. 2010(03)
[8]受限机械臂的自适应小波滑模位置/力混合控制[J]. 周芳,朱齐丹,姜迈,汪瞳. 华中科技大学学报(自然科学版). 2009(11)
[9]3-RTT并联机构的奇异轨迹分析[J]. 张晓洪,张均富,夏重. 工程设计学报. 2007(04)
[10]3-PUU三维平动并联机器人的位置分析及其仿真[J]. 郭宗和,孙术华,郝秀清,牛国栋,李连升. 中国机械工程. 2006(17)
博士论文
[1]脊柱微创手术机器人系统（遥控型）及关键技术研究[D]. 张鹤.第三军医大学 2012
[2]机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D]. 李正义.华中科技大学 2011
[3]六自由度力反馈双向伺服控制策略研究[D]. 陈铁华.吉林大学 2010
[4]多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究[D]. 兰天.哈尔滨工业大学 2010
[5]双向液压伺服遥操作机器人的力觉临场感技术研究[D]. 文广.吉林大学 2008
硕士论文
[1]通用力反馈设备的自适应阻抗控制仿真研究[D]. 温彬彬.北京交通大学 2017
[2]液压足式机器人单关节柔顺控制的研究[D]. 夏江.哈尔滨工业大学 2017
[3]力反馈主手设计及主从操作技术研究[D]. 姜运祥.燕山大学 2014
[4]高压带电作业机器人作业机械臂的设计及优化[D]. 马孝林.山东建筑大学 2014
[5]基于力反馈的主从式机器人辅助脊椎穿刺手术系统[D]. 盛国栋.上海交通大学 2014
[6]微创手术机器人力反馈主手设计与仿真[D]. 杨扬.哈尔滨工业大学 2013
[7]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
[8]手术机器人主手力感问题的研究[D]. 韩轩.天津大学 2009
[9]基于虚拟现实技术的力觉交互设备的研究与构建[D]. 李国杰.上海交通大学 2008
本文编号：3590193
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