基于虚拟夹具的微创外科手术机器人运动约束研究
发布时间：2021-08-11 05:10
机器人辅助微创外科手术（RMIS）技术能够显著提高外科医生对手术的执行能力.然而,现有的机器人主从遥操作模式下所存在的不足之处（如手眼协调性差、可视空间狭窄、力反馈信息的缺失等）容易导致医生产生过度操作而引起机器人执行机构的碰撞干涉（包括机械臂之间的碰撞干涉及内窥镜杆与手术器械杆的碰撞干涉）和手术器械末端脱离手术视野,由此带来的安全性问题不容忽视.本文提出了一种基于虚拟夹具的微创外科手术机器人空间运动约束方法,以"MicroHand S"机器人系统作为应用平台,在进行机械臂构型及运动学分析的基础上,针对上述问题展开研究,通过构建碰撞干涉检测模型实时监测机器人执行机构之间及机器人与环境物体之间的相对距离,并设置相应的安全预警区域,采用人工势场与虚拟代理点相结合的方式对机器人执行机构的运动空间加以限制,从而达到对医生的操作动作进行合理的引导与约束,提高手术效率与操作安全性的目的.该方法无需构建复杂的几何模型,虚拟夹具的定义方便快捷,对于其他主从操作模式下的微创外科手术机器人系统及类似的人机交互环境具有普适意义.最终的虚拟仿真实验结果表明,在有、无虚拟夹具两种操作环境下,实验参与人员的表现有...
【文章来源】：天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2020,53(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
“MicroHand S”系统机械臂构型及运动学模型
确定碰撞发生区域后，首先需要实时监测手术过程中器械臂与持镜臂之间的最小距离，这可转化为求解两个凸面体之间最短距离的问题．包围盒算法是一种常用来进行碰撞干涉检测的方法，其基本思想是利用体积稍大且特性简单的几何体(称为包围盒)来近似地代替复杂的几何对象．常见的包围盒算法有AABB(aixe align bounding box)包围盒、包围球、OBB(oriented bounding box)包围盒以及固定方向凸包FDH.一个物体的OBB包围盒可定义为包含该对象且相对于坐标轴方向任意的六面体．与AABB包围盒及包围球相比，OBB包围盒的最大特点是其方向的任意性，这使得其可以根据被包裹对象的形状特征尽可能紧密地包围对象以提高碰撞精度，同时又避免了FDH复杂的求交运算，尤其适用于形状简单、手术过程中需要不断变换位姿且碰撞类型为刚体碰撞的机械臂结构．在三维空间中，OBB包围盒可由中心点位置向量C，半边长l1、l2、l3和相互垂直的单位向量v1、v2、v3来表示，即
对OBB包围盒进行的碰撞检测通常基于分离轴理论，即如果存在一个平面P使得空间中互不相交的两个几何体分别位于该平面两侧，则必存在一条垂直于该平面的直线L(分离轴)，使得这两个几何体在该直线上投影半径之和小于两者中心连线长度在该直线上的投影长度(如图3所示)，可表示为算法首先确定OBB包围盒的15个分离轴，分别是包围盒A与B各自坐标系的6个坐标轴，以及其中一个包围盒的3个坐标轴与另一个包围盒的3个坐标轴两两叉乘得到的9个向量所确定的轴．通过将OBB包围盒分别投影至15个分离轴上，当且仅当在所有分离轴上式(8)均成立，才可断定两凸面体之间未发生碰撞干涉．
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于机器人辅助微创外科手术的术前规划方法[J]. 梁科,王树新,刘瑞达,李建民. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(09)
[2]双臂机器人自碰撞检测及其运动规划[J]. 吴长征,岳义,韦宝琛,刘殿富. 上海交通大学学报. 2018(01)
[3]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)
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
本文编号：3335521
【文章来源】：天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2020,53(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
“MicroHand S”系统机械臂构型及运动学模型
确定碰撞发生区域后，首先需要实时监测手术过程中器械臂与持镜臂之间的最小距离，这可转化为求解两个凸面体之间最短距离的问题．包围盒算法是一种常用来进行碰撞干涉检测的方法，其基本思想是利用体积稍大且特性简单的几何体(称为包围盒)来近似地代替复杂的几何对象．常见的包围盒算法有AABB(aixe align bounding box)包围盒、包围球、OBB(oriented bounding box)包围盒以及固定方向凸包FDH.一个物体的OBB包围盒可定义为包含该对象且相对于坐标轴方向任意的六面体．与AABB包围盒及包围球相比，OBB包围盒的最大特点是其方向的任意性，这使得其可以根据被包裹对象的形状特征尽可能紧密地包围对象以提高碰撞精度，同时又避免了FDH复杂的求交运算，尤其适用于形状简单、手术过程中需要不断变换位姿且碰撞类型为刚体碰撞的机械臂结构．在三维空间中，OBB包围盒可由中心点位置向量C，半边长l1、l2、l3和相互垂直的单位向量v1、v2、v3来表示，即
对OBB包围盒进行的碰撞检测通常基于分离轴理论，即如果存在一个平面P使得空间中互不相交的两个几何体分别位于该平面两侧，则必存在一条垂直于该平面的直线L(分离轴)，使得这两个几何体在该直线上投影半径之和小于两者中心连线长度在该直线上的投影长度(如图3所示)，可表示为算法首先确定OBB包围盒的15个分离轴，分别是包围盒A与B各自坐标系的6个坐标轴，以及其中一个包围盒的3个坐标轴与另一个包围盒的3个坐标轴两两叉乘得到的9个向量所确定的轴．通过将OBB包围盒分别投影至15个分离轴上，当且仅当在所有分离轴上式(8)均成立，才可断定两凸面体之间未发生碰撞干涉．
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用于机器人辅助微创外科手术的术前规划方法[J]. 梁科,王树新,刘瑞达,李建民. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(09)
[2]双臂机器人自碰撞检测及其运动规划[J]. 吴长征,岳义,韦宝琛,刘殿富. 上海交通大学学报. 2018(01)
[3]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)
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
本文编号：3335521
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