具有虚拟向导的主从医疗机器人控制系统研究

摘要

传统手术都是通过大切口进入到病人体内需要治疗的部位,这种方法一般称为开放性手术。微创手术是通过大约1cm的小切口将内窥镜和长的器械插入体腔的一种可以替代传统手术的新方法。和传统手术相比,由于切口尺寸较小,微创手术减少了病人的创伤,减轻了术后疼痛,缩短了住院时间。尽管它有以上优点,对于手术医生而言,也存在一些缺点,例如缺乏灵活性和临场感差等。
　　为了克服上述问题,本文设计了一种机器人辅助遥操作医疗手术系统,并且提出了具有虚拟向导功能的双向控制策略。双向遥操作是人类直接控制具有力觉或触觉反馈的远程机器人的方法;虚拟向导是一种引导模式,通过软件产生的虚拟力或者额外的运动命令去辅助机器人完成遥操作任务。
　　本系统设计是基于主从操作模式,由SenSable-Technologies公司生产的力反馈操作手Phantom Omni作为控制端主机器人,操作端采用安装了力传感器的6自由度从机器人。控制系统采用二级计算机分级控制方式,上级PC机是本系统的核心部分,负责算法实现和整个系统管理;下级 DMC-2183运动控制卡负责所有关节的位置伺服控制。
　　首先,本文设计了基于PC机和DMC-2183的开放式硬件平台,同时采用面向对象的思想,使用C/C++编程语言设计了基于WINDOWS XP操作系统的软件系统。其次,进行了机器人运动学建模、正逆解和雅克比矩阵的求解,并设计了示教再现模块和力采集模块。最后,在VS2005环境下对双向控制和虚拟向导等算法进行编程。其中,双向控制是将传统的P-P控制算法进行改进,实际上比较的是主从机器人的笛卡尔空间位置增量;虚拟向导算法的设计以位置偏差的计算为基础,再通过弹簧-阻尼模型合成虚拟的引导力。
　　实验表明,主从遥操作系统具有良好的位置跟随性能,改善了微创手术中医生缺乏灵活性和临场感差的缺陷,虚拟向导能够改善主从遥操作系统的执行性能,带来了操作精准度的提升,通过直线虚拟向导实验也证明了该控制算法是合理并且有效的。

目录

具有虚拟向导的主从医疗机器人控制系统研究

RESEARCH ON CONTROL SYSTEM OF MASTER-SLAVE SURGICAL ROBOT WITH VIRTUAL FIXTURE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的意义

1.3 国内外相关技术发展现状

1.3.1遥操作医疗机器人研究现状

1.3.2图像引导手术系统研究现状

1.4 本文主要研究内容安排

第2章 平台的搭建及机器人运动学分析

2.1 引言

2.2 硬件平台的整体方案设计

2.2.1硬件平台的结构设计

2.2.2硬件平台的设备选取

2.2.3硬件平台的接口设计

2.3 从机器人运动学分析

2.3.1从机器人本体结构

2.3.2从机器人D-H模型

2.3.3从机器人正逆解及雅克比矩阵求解

2.4 主机器人运动学分析

2.4.1主机器人本体结构

2.4.2主机器人运动学分析

2.4.3主机器人相关接口函数

2.5 系统平台的实现

2.6 本章小结

第3章 主从遥操作系统的软件设计

3.1 引言

3.2 软件开发平台及工具

3.3 多线程技术的应用

3.4 软件平台模块化的设计

3.4.1示教再现模块的设计

3.4.2力采集模块的设计

3.4.3用户界面的设计

3.5 本章小结

第4章 双向控制与虚拟向导算法的设计

4.1 引言

4.2 双向遥操作控制系统

4.2.1双向遥操作系统建模

4.2.2双向遥操作设计目标

4.2.3双向控制算法设计

4.3 虚拟向导算法设计

4.3.1虚拟向导概述

4.3.2基于双向控制的虚拟向导算法设计

4.4 控制参数的选择

4.5 稳定性分析

4.6 本章小结

第5章 实验与分析

5.1 引言

5.2 机器人运动学分析测试

5.3 主从遥操作系统功能测试

5.3.1位置跟踪能力测试

5.3.2虚拟向导算法仿真

5.3.3虚拟向导算法测试

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢