遥操作骨科复位手术的力反馈主操作手及时延控制研究

发布时间：2020-07-21 23:50

【摘要】：遥操作手术应用让远程的医疗服务提供者评估、诊断、治疗和后续护理远程病人成为可能,能够成功地提高医疗服务的质量。将网络通讯技术应用于遥操作手术中,人们构建了基于网络的主从遥操作手术机器人系统,但是基于网络的主从遥操作手术机器人技术快速发展的过程中也面临着一些问题。首先,现有的主操作手价格昂贵、操作空间小等问题,很少有针对某一项手术开发应用的专科型主操作手,使得医生无法根据自身的工作需要进行合适的调节,长时间的操作就会产生不适感,从而限制了已有的力反馈型主操作手的应用。其次,遥操作手术过程中主从之间的通讯时延对遥操作有重要影响,出于遥操作医疗手术工作的安全保障,通讯过程中的时延问题必须要考虑。针对骨科复位过程中医生的动作要求和骨科复位机器人的机构特点,研制了面向骨科复位手术的专科型力反馈主操作手。确定了主操作手构型,该主操作手由具有三维力反馈能力的并联机构和能获取转角信息的串联机构构成。在工作空间内对主操作手并联机构进行尺度优化。力反馈主操作手在为操作者提供力觉信息的过程中,首要解决的是主操作手自身的静力平衡问题。由于医生在对主操作手操作过程中受到机构自身重力的影响,从而使人手产生疲劳,这必然会影响到操作的体验性和力反馈性能。本文给出了基于静力学下主操作手力反馈数学模型,获得了关节电机输出力矩与主操作手末端所感受到力之间的映射关系,并利用BP神经网络对模型误差进行了补偿,为重力补偿和力反馈的实现提供了有效的控制方法。为了提高主操作手的实时性,对主端力反馈主操作手的自身时延展开研究。采用多线程、多事件技术降低算法耗时。通过网络遥操作系统的时延分析,在网络时延存在且假设时延范围确定的情况下,结合H∞鲁棒控制方法将时延等价为干扰,利用μ综合的技术将系统转换为H∞控制的标准形式,采用H∞混合灵敏度加权函数设计方法,把网络时延规范到H∞鲁棒控制方法可以解决的范围内,解决Internet传输环境带来的时延问题。针对鲁棒控制器设计中混合灵敏度加权函数的选取大多依赖于设计者的经验问题,采用约束的人工免疫算法,对加权函数进行了优化,从而避免了传统的试凑方法获取加权函数带来的不足。采用自主研制的力反馈主操作手作为遥操作系统的主端力反馈设备,从端结合骨科复位机器人,搭建了遥操作骨科复位手术系统实验平台。通过实验验证了遥操作系统在自由状态下复位机器人对主操作手的位置跟随性能和受限状态下力反馈性能。最后完成了遥操作长骨复位手术实验,验证了所设计的控制器能够在时延发生且最大值不超过2秒的情况下保证主从系统较好的稳定性,复位结果达到了骨科复位手术的医疗评价标准。
【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】：2015
【分类号】：TP242


本文编号：2764999