骨科机器人人机协同交互方法研究及控制系统实现

发布时间：2017-11-02 04:09

  本文关键词：骨科机器人人机协同交互方法研究及控制系统实现

  更多相关文章： 人机协同交互 导纳控制 虚拟夹具 骨科机器人 实时控制

【摘要】：因机器人辅助的外科手术可以改善医生工效,提高病人福祉等优势,自1985年第一例机器人辅助手术开始,得到了医院医生、医疗机构、机器人研究者及产业界的极大支持和推动,成为生物医学工程和机器人研发的热点领域。但复杂系统的引入,也同时对医生技能和医疗机器人系统研发都提出了更多的挑战。研究表明,目前机器人应用是作为医生作业的智能工具被引入医疗领域的,因而人-机器人协同交互问题成为限制医疗机器人进入医疗领域的一个障碍。基于此,针对骨科手术应用需求,课题组自主设计了轻量化人机协同交互式骨科机器人。目标是使机器人能够辅助医生在手术规划监控以及路径引导、虚拟夹具等限制下,共同完成骨科手术,让医生感觉机器人是在其安全保障下的自由操作手术工具。本文首先针对已经设计的轻量型六自由度机械臂进行系统建模分析,为骨科手术人机协同方法和控制实现提供运动学基础。主要进行了基于D-H矩阵的机器人建模,完成正逆运动学的求解,并通过求解雅克比矩阵进行速度变换,获得机器人末端位置、速度与关节角度、速度的变换关系。在运动分析的基础上利用蒙特卡洛法绘制机器人的工作空间,并通过比较雅克比矩阵条件数的大小来检索工作空间内的奇异位置点。在此基础上,采用基于速度控制的导纳控制方法及基于虚拟夹具技术的安全策略实现人机协同交互方法的研究。建立了基于导纳控制的三级导纳增益参数模型,以提升控制系统整体的速度变化和交互性能。针对骨科手术特点,建立了引导型和禁止型虚拟夹具模型,完成了基于虚拟夹具的手术安全策略和建模方法研究。再次,针对人机协同交互实现时运算复杂且对实时性要求高的特征,采用基于Twin CAT的实时控制系统软件和基于高速工业以太网Ether CAT总线通信的软硬件控制方案,并进行了实现。利用VC完成控制操作界面、实时显示、运动学算法、协同交互运动和传感器集成算法等的开发。完成控制系统软硬件设计、选型,实现、装配、调试,并进行机器人精度标定实验。最后,搭建人机协同交互验证平台。首先进行控制系统软硬件和运动控制功能测试,验证系统各个部分的可靠性。利用人机交互研究中的导纳控制算法、虚拟夹具建模方法完成了针对骨科手术特点的引导、定位和避障的一系列实验,包括目标点定位、曲线跟踪引导和主被动偏离实验,并进行了基于关节置换的骨科模型模拟实验,实验结果表明,本文建立的基于导纳控制和虚拟夹具的人机协同控制方法具有较好的控制效果。
【关键词】：人机协同交互 导纳控制 虚拟夹具 骨科机器人 实时控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;R61
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 人机协同交互方法医疗机器人研究现状11-16
• 1.2.1 人机协同控制研究现状11-13
• 1.2.2 虚拟夹具（Virtual Fixture）技术的研究现状13-16
• 1.3 国内外研究现状综述16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第2章 机器人系统建模19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 机器人运动学基础19-24
• 2.2.1 DH参数建模19-20
• 2.2.2 运动学求解20-22
• 2.2.3 雅克比矩阵求解与速度变换22-24
• 2.3 工作空间及奇异性分析24-28
• 2.3.1 工作空间分析25-26
• 2.3.2 奇异性分析26-28
• 2.4 运动学仿真分析28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 人机器人协同交互方法研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 人机协同交互基本原理30-31
• 3.3 基于导纳控制的人机协同控制方法研究31-32
• 3.3.1 导纳控制的基本原理31-32
• 3.3.2 导纳增益参数研究32
• 3.4 基于虚拟夹具的手术安全策略32-43
• 3.4.1 引导型虚拟夹具设计33-42
• 3.4.2 禁止型虚拟夹具设计42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 机器人控制系统设计与实现44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 控制系统整体方案设计44-46
• 4.2.1 控制系统硬件体系结构及选型设计44-45
• 4.2.2 软件系统设计方案45-46
• 4.3 控制系统软件体系结构设计及实现46-52
• 4.3.1 基于Twin CAT的控制器软件系统结构设计47-48
• 4.3.2 底层运动控制功能开发及编程实现48-50
• 4.3.3 机器人控制界面、运动学和交互算法实现50-52
• 4.3.4 基于Twin CAT3的运动与驱动控制配置52
• 4.4 机器人装配与调试52-53
• 4.5 机器人标定与精度测量53-57
• 4.5.1 基于MDH方法的机器人运动学标定54-56
• 4.5.2 机器人重复定位精度测量56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第5章 骨科机器人人机协同交互方法验证实验58-75
• 5.1 引言58
• 5.2 实验平台搭建58-59
• 5.3 引导型人机协同交互方法实验59-71
• 5.3.1 平面轨迹跟踪与目标点定位实验59-64
• 5.3.2 主动路径偏离避障实验64-66
• 5.3.3 立体轨迹跟踪与目标点定位实验66-71
• 5.4 禁止区域被动偏离实验71-72
• 5.5 骨科模型模拟实验72-74
• 5.6 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-81
• 致谢81

，

本文编号：1129898