面向心脏手术医疗机器人的异构式主从控制研究

摘要

我国冠心病的发病率每年都在上升，而心脏搭桥手术作为传统的冠心病治疗手段存在诸多缺点：创伤大，术后恢复慢而且并发症多。心脏手术机器人作为一种新型的心脏搭桥手术器械，因其准确、可控且无疲劳问题等特点，能够很有效的克服传统方法的缺点，所以受到了人们的日益关注。心脏手术机器人是一个复杂的系统工程，涵盖了机械机构设计、心脏跟踪控制、心脏信号处理、以及主从式远程控制等方面，本论文主要研究主从式远程控制的实现方法。
　　主从式远程控制是指操作者利用主动控制臂（主手）在远端通过数据线或者网络控制手术机器人的手术臂（从手）进行操作。目前商用医疗机器人主从手远程控制比较成熟，但是其为核心技术，不对外开放，而现有的已发表的机器人主从手远程控制研究成果中，主从手的控制都被简化，采用同构或者相同自由度的主从手结构，这极大地提高了主手的结构复杂程度和远程控制的成本。为了解决这个问题，本论文将研究一种新的异构式主从手控制方法，实现低自由度低成本的主手远程控制高自由度的从手。
　　本论文，第一步建立了两个机械臂之间的映射关系：采用笛卡尔工作空间映射，将主手的工作空间与从手的部分工作空间之间建立起一一映射的关系，节省了复杂的转换矩阵、正逆雅可比矩阵运算时间。同时，本论文设计了从手的路径规划算法，由于医生操作的环境和从手所处的手术环境是不同的，从手不仅要根据胸腔内手术的目标位置，而且要考虑周围健康组织的位置来规划出一条合理的路径。本论文采用OMPL中的算法来规划从手路径，并结合碰撞检测算法来检测规划的路径是否与健康组织发生碰撞，从而实现从手能够跟随主手同时能根据实际环境规划路径。此外，由于医生在控制主手时会不自觉的发生抖动，这会影响心脏搭桥手术的准确性，本论文针对这一现象，在主从控制环节中加入抖动消除的环节。通过主手和振动传感器来采集人手抖动信号，并根据人手抖动的特点采用自适应滤波进行了消除抖动的仿真。
　　最后，我们搭建了异构式主从手控制实验平台，主手采用三自由度的PHANToM，从手采用六自由度的串联轻量型机械臂。实验的结果验证了本文所提的主从式控制方法是可行的，经过后期的优化调整，可以应用到临床试验。此外本文所得到的研究成果具有应用普遍性，可以作为其他需要远程机械臂控制的机器人研究人员的参考。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 课题的研究现状与分析

1.3 主要研究内容

第2章 手术机器人主从控制系统的搭建

2.1 主从手运动学模型建立

2.2 主从手工作空间映射

2.3 本章小结

第3章 基于碰撞检测的从手路径规划

3.1 路径规划算法

3.2 碰撞检测算法

3.3 基于碰撞检测的从手路径规划算法

3.4 本章小结

第4章 抖动消除的仿真及分析

4.1 人手抖动的特点

4.2 抖动信号的采集

4.3 抖动信号的消除

4.4 仿真及结果分析

4.5本章小结

第5章 仿真实验平台搭建及结果分析

5.1 ROS系统

5.2 主从控制系统的搭建

5.3 实验结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢