本文關(guān)鍵詞：骨科機(jī)器人人機(jī)協(xié)同交互方法研究及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  更多相關(guān)文章： 人機(jī)協(xié)同交互 導(dǎo)納控制 虛擬夾具 骨科機(jī)器人 實(shí)時(shí)控制

【摘要】：因機(jī)器人輔助的外科手術(shù)可以改善醫(yī)生工效,提高病人福祉等優(yōu)勢(shì),自1985年第一例機(jī)器人輔助手術(shù)開(kāi)始,得到了醫(yī)院醫(yī)生、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、機(jī)器人研究者及產(chǎn)業(yè)界的極大支持和推動(dòng),成為生物醫(yī)學(xué)工程和機(jī)器人研發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。但復(fù)雜系統(tǒng)的引入,也同時(shí)對(duì)醫(yī)生技能和醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)都提出了更多的挑戰(zhàn)。研究表明,目前機(jī)器人應(yīng)用是作為醫(yī)生作業(yè)的智能工具被引入醫(yī)療領(lǐng)域的,因而人-機(jī)器人協(xié)同交互問(wèn)題成為限制醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)障礙�；诖�,針對(duì)骨科手術(shù)應(yīng)用需求,課題組自主設(shè)計(jì)了輕量化人機(jī)協(xié)同交互式骨科機(jī)器人。目標(biāo)是使機(jī)器人能夠輔助醫(yī)生在手術(shù)規(guī)劃監(jiān)控以及路徑引導(dǎo)、虛擬夾具等限制下,共同完成骨科手術(shù),讓醫(yī)生感覺(jué)機(jī)器人是在其安全保障下的自由操作手術(shù)工具。本文首先針對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的輕量型六自由度機(jī)械臂進(jìn)行系統(tǒng)建模分析,為骨科手術(shù)人機(jī)協(xié)同方法和控制實(shí)現(xiàn)提供運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)。主要進(jìn)行了基于D-H矩陣的機(jī)器人建模,完成正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解,并通過(guò)求解雅克比矩陣進(jìn)行速度變換,獲得機(jī)器人末端位置、速度與關(guān)節(jié)角度、速度的變換關(guān)系。在運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上利用蒙特卡洛法繪制機(jī)器人的工作空間,并通過(guò)比較雅克比矩陣條件數(shù)的大小來(lái)檢索工作空間內(nèi)的奇異位置點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,采用基于速度控制的導(dǎo)納控制方法及基于虛擬夾具技術(shù)的安全策略實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同交互方法的研究。建立了基于導(dǎo)納控制的三級(jí)導(dǎo)納增益參數(shù)模型,以提升控制系統(tǒng)整體的速度變化和交互性能。針對(duì)骨科手術(shù)特點(diǎn),建立了引導(dǎo)型和禁止型虛擬夾具模型,完成了基于虛擬夾具的手術(shù)安全策略和建模方法研究。再次,針對(duì)人機(jī)協(xié)同交互實(shí)現(xiàn)時(shí)運(yùn)算復(fù)雜且對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的特征,采用基于Twin CAT的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件和基于高速工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT總線通信的軟硬件控制方案,并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。利用VC完成控制操作界面、實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)動(dòng)學(xué)算法、協(xié)同交互運(yùn)動(dòng)和傳感器集成算法等的開(kāi)發(fā)。完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、選型,實(shí)現(xiàn)、裝配、調(diào)試,并進(jìn)行機(jī)器人精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。最后,搭建人機(jī)協(xié)同交互驗(yàn)證平臺(tái)。首先進(jìn)行控制系統(tǒng)軟硬件和運(yùn)動(dòng)控制功能測(cè)試,驗(yàn)證系統(tǒng)各個(gè)部分的可靠性。利用人機(jī)交互研究中的導(dǎo)納控制算法、虛擬夾具建模方法完成了針對(duì)骨科手術(shù)特點(diǎn)的引導(dǎo)、定位和避障的一系列實(shí)驗(yàn),包括目標(biāo)點(diǎn)定位、曲線跟蹤引導(dǎo)和主被動(dòng)偏離實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行了基于關(guān)節(jié)置換的骨科模型模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文建立的基于導(dǎo)納控制和虛擬夾具的人機(jī)協(xié)同控制方法具有較好的控制效果。
【關(guān)鍵詞】：人機(jī)協(xié)同交互 導(dǎo)納控制 虛擬夾具 骨科機(jī)器人 實(shí)時(shí)控制
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242;R61
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 課題背景及研究意義10-11
• 1.2 人機(jī)協(xié)同交互方法醫(yī)療機(jī)器人研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 人機(jī)協(xié)同控制研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 虛擬夾具（Virtual Fixture）技術(shù)的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述16-17
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容17-19
• 第2章 機(jī)器人系統(tǒng)建模19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)19-24
• 2.2.1 DH參數(shù)建模19-20
• 2.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)求解20-22
• 2.2.3 雅克比矩陣求解與速度變換22-24
• 2.3 工作空間及奇異性分析24-28
• 2.3.1 工作空間分析25-26
• 2.3.2 奇異性分析26-28
• 2.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析28-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第3章 人機(jī)器人協(xié)同交互方法研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 人機(jī)協(xié)同交互基本原理30-31
• 3.3 基于導(dǎo)納控制的人機(jī)協(xié)同控制方法研究31-32
• 3.3.1 導(dǎo)納控制的基本原理31-32
• 3.3.2 導(dǎo)納增益參數(shù)研究32
• 3.4 基于虛擬夾具的手術(shù)安全策略32-43
• 3.4.1 引導(dǎo)型虛擬夾具設(shè)計(jì)33-42
• 3.4.2 禁止型虛擬夾具設(shè)計(jì)42-43
• 3.5 本章小結(jié)43-44
• 第4章 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)44-46
• 4.2.1 控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)及選型設(shè)計(jì)44-45
• 4.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案45-46
• 4.3 控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)46-52
• 4.3.1 基于Twin CAT的控制器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)47-48
• 4.3.2 底層運(yùn)動(dòng)控制功能開(kāi)發(fā)及編程實(shí)現(xiàn)48-50
• 4.3.3 機(jī)器人控制界面、運(yùn)動(dòng)學(xué)和交互算法實(shí)現(xiàn)50-52
• 4.3.4 基于Twin CAT3的運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)控制配置52
• 4.4 機(jī)器人裝配與調(diào)試52-53
• 4.5 機(jī)器人標(biāo)定與精度測(cè)量53-57
• 4.5.1 基于MDH方法的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定54-56
• 4.5.2 機(jī)器人重復(fù)定位精度測(cè)量56-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 第5章 骨科機(jī)器人人機(jī)協(xié)同交互方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)58-75
• 5.1 引言58
• 5.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建58-59
• 5.3 引導(dǎo)型人機(jī)協(xié)同交互方法實(shí)驗(yàn)59-71
• 5.3.1 平面軌跡跟蹤與目標(biāo)點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)59-64
• 5.3.2 主動(dòng)路徑偏離避障實(shí)驗(yàn)64-66
• 5.3.3 立體軌跡跟蹤與目標(biāo)點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)66-71
• 5.4 禁止區(qū)域被動(dòng)偏離實(shí)驗(yàn)71-72
• 5.5 骨科模型模擬實(shí)驗(yàn)72-74
• 5.6 本章小結(jié)74-75
• 結(jié)論75-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 致謝81

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本文編號(hào)：1129898