發(fā)布時間：2020-06-06 02:00

【摘要】：相對于傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù),機器人微創(chuàng)手術(shù)操作更加精細(xì)、視野更加清晰、操作更加舒適,但在手術(shù)過程中仍存在一些挑戰(zhàn),包括術(shù)前從手機械臂調(diào)節(jié)不靈活、術(shù)中主從操作不同步和需要頻繁操控腹腔鏡,以及機械臂的關(guān)節(jié)柔性和手術(shù)器械缺乏觸覺交互信息(包括力覺和觸覺)等問題,導(dǎo)致手術(shù)質(zhì)量下降和手術(shù)成本的上升。針對機器人微創(chuàng)手術(shù)存在的這些問題,本文開展微創(chuàng)手術(shù)機器人從手系統(tǒng)控制的研究。在機器人微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)前調(diào)節(jié)階段,機械臂關(guān)節(jié)間阻力使醫(yī)生很難將從手機械臂末端的手術(shù)器械插入患者體內(nèi)并進行位姿調(diào)整,為此需要研究一種反向驅(qū)動控制方法來實現(xiàn)從手機械臂精細(xì)而靈活的手動調(diào)節(jié)。首先建立從手機械臂遠(yuǎn)心機構(gòu)柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型并進行參數(shù)辨識。其次,研究一種新的靜摩擦補償方法來補償?shù)退龠\動關(guān)節(jié)的靜摩擦力。設(shè)計一種卡爾曼濾波器來實時估計低速運動關(guān)節(jié)的角速度和角加速度。最后,通過控制電機輸出力矩來補償從手機械臂在手動調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的重力矩、摩擦力矩和慣性力矩,從而提高從手機械臂的反向驅(qū)動性能。在機器人微創(chuàng)手術(shù)的主從操作階段,醫(yī)生需要頻繁切換控制對象來調(diào)整腹腔鏡的位姿(以獲得更好的手術(shù)視野)會分散醫(yī)生的注意力,導(dǎo)致腹腔鏡手術(shù)質(zhì)量下降。為此需要研究一種手術(shù)機器人腹腔鏡自動跟隨運動規(guī)劃的方法,以實現(xiàn)腹腔鏡快速且光滑地跟隨手術(shù)器械的運動。首先分析了從手機械臂常用運動規(guī)劃方法。隨后,通過分析腹腔鏡的位姿調(diào)整條件和調(diào)整后的視野要求,確定腹腔鏡末端點在任務(wù)空間的參考路徑點和限位點,利用運動學(xué)模型得到持鏡臂(夾持腹腔鏡的從手機械臂)關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié)空間對應(yīng)的路徑點,然后采用Chebyshev偽譜法和序列二次規(guī)劃法對關(guān)節(jié)空間的路徑點進行軌跡規(guī)劃,以及基于時間—平滑度最優(yōu)的軌跡優(yōu)化。最后,通過仿真驗證了Chebyshev偽譜法具有好的軌跡規(guī)劃性能,且滿足從手機械臂多關(guān)節(jié)在線軌跡規(guī)劃與優(yōu)化的性能要求。為了實現(xiàn)切割、縫合和打結(jié)等精細(xì)的手術(shù)操作,需要設(shè)計一種考慮關(guān)節(jié)柔性,計算效率高,能處理變量約束的控制算法,以實現(xiàn)從手機械臂遠(yuǎn)心機構(gòu)關(guān)節(jié)精確的位置控制和振動抑制。首先通過重力補償和變量變換實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型的線性化,并建立其對應(yīng)的狀態(tài)空間模型和擴展?fàn)顟B(tài)空間模型。其次,基于擴展?fàn)顟B(tài)空間模型和狀態(tài)空間模型分別設(shè)計雙閉環(huán)預(yù)測函數(shù)控制算法和級聯(lián)預(yù)測函數(shù)控制與比例積分控制(PFC-PI)算法,并分析了PFC-PI算法的穩(wěn)定性。最后,通過對比仿真驗證了PFC-PI算法具有更好的動態(tài)控制性能和振動抑制效果。由于傳動回差和缺乏力反饋信息,使繩索驅(qū)動的手術(shù)器械很難進行精確的位置和力控制。為此需要研究一種基于繩輪傳動的力/位置傳動模型,對手術(shù)器械繩輪系統(tǒng)的傳動回差和輸出力矩進行實時精確估計。首先建立閉環(huán)繩輪系統(tǒng)的力/位置傳動模型,并推導(dǎo)出繩輪系統(tǒng)末端執(zhí)行器在夾持操作中的傳動回差和輸出力矩的計算公式,然后設(shè)計基于前饋回差補償和力飽和限制的PID控制算法來實現(xiàn)繩輪系統(tǒng)安全且精確的位置控制。最后,通過繩輪系統(tǒng)末端執(zhí)行器的夾持操作驗證了所建立模型的準(zhǔn)確性。開展微創(chuàng)手術(shù)機器人從手系統(tǒng)控制實驗的研究。通過從手機械臂遠(yuǎn)心機構(gòu)關(guān)節(jié)的手動調(diào)節(jié)實驗和動物實驗,驗證了所提出的反向驅(qū)動控制方法的有效性;通過腹腔鏡自動跟隨運動實驗,驗證了所提出的腹腔鏡自動跟隨運動規(guī)劃的有效性;通過從手機械臂遠(yuǎn)心機構(gòu)關(guān)節(jié)的位置控制實驗,驗證了所提出的PFC-PI算法的具有好的動態(tài)控制性能和振動抑制效果;通過手術(shù)器械的夾持操作實驗,驗證了所建立的手術(shù)器械繩輪傳動系統(tǒng)模型的正確性。
【圖文】：

如圖 1-2 所示。相比較于傳統(tǒng)點：（1）消除了杠桿效應(yīng)，實現(xiàn)了手眼一般腹腔鏡手術(shù)視野更加清晰；（3）精，可進行更靈活的手術(shù)操作；（4）改善不易疲勞。機器人微創(chuàng)手術(shù)也存在一些術(shù)操作的空間要求較大，對疾病的適應(yīng)部手術(shù)的應(yīng)用較多，成功率也很高，，已

第 1 章 緒 論聲音或者腳踏來控制機械臂，從而操縱腹腔鏡頭來完成攝能。在復(fù)雜的運動任務(wù)中，AESOP 由于語音控制導(dǎo)致更使得 EndoAssist 比 AESOP 具有更快的任務(wù)執(zhí)行速度，人機交互功能[5]。如圖 1-4 為 AESOP 機器人系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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1 李愛民;李進華;李建民;張濤;楊瑞林;邢元;劉全達(dá);王樹新;;國產(chǎn)機器人妙手S系統(tǒng)遠(yuǎn)程手術(shù)實驗研究[J];腹部外科;2016年06期

2 付宜利;劉瀟;牛國君;潘博;;腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)遠(yuǎn)心機構(gòu)設(shè)計與分析[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年S1期

本文編號：2698970