缩放式力觉主手研究及其在遥操作正骨手术中的应用

摘要

随着医疗、影像、机器人和计算机技术的不断发展，医疗外科机器人已经成为机器人领域的研究热点。将主从遥操作技术引入到正骨手术中建立主从遥操作医疗正骨机器人，对避免医生长期接受X光射线的伤害，降低医生的劳动强度，提高正骨复位精度具有重要意义。力觉主手是主从遥操作系统关键设备，是医生与复位机器人实现交互的接口，通过主手控制复位机器人既可以实现医生的操作意图，又可以实时感受复位操作力，因此，主手对整个系统的可操纵性、力保真度、稳定性具有重要影响，高性能主手是精确高质完成操作任务的根本保证。对力觉主手的研制和力反应实现的理论研究对于提高主从遥操作系统人机交互的自然性、高效性等具有重要的意义。
　　结合国家“863”计划项目，本文提出并研制了一种缩放式并联力觉主手，在缩放仪结构的基础上将支链的运动副进行重新分布，将驱动电机固定在基座上，有效降低了机构的运动惯量。采用电机直接驱动连杆，减小了运动间隙，并提高了系统结构刚度，为实现较高的系统动态性能创造了条件。
　　与原型机构相比，由于重新布置铰链，使得机构在运动学方面存在特殊性。在D－H方法的基础上，采用两步法实现了正解求解：首先要通过数值方法获得3个上连杆的摆动角度，然后通过矩阵变换得到驱动输入与平台输出的关系。通常情况下，并联机器人逆解比较简单，但是对于该型机构逆解则存在多解性问题。本文对于机构的逆解展开研究，提出了一类新的逆解子问题并给出了求解方法，通过旋量和指数积方法求得机构的逆解，从几何意义上给出了逆解多解性的条件。利用运动螺旋及其反螺旋的概念推导出了机构的雅可比矩阵。
　　动力学研究是力觉主手的性能分析和控制的基础。针对并联主手支链具有串并联混合结构的特点，基于Kane方法对主手机构进行了动力学建模。采用矢量微分方法求得了各个杆件相对于平台输出的速度、加速度映射矩阵，以平台运动螺旋作为广义速度，推导了该机构的偏速度映射矩阵。考虑各个杆件的惯量及质量建立了驱动电机在减速器端输出力与机构运动的关系，并通过ADAMS对模型进行了逆向验证。
　　利用改进的Euler角，本文提出了一种带有姿态能力的工作空间描述方法。通过分析，用常规的雅可比矩阵条件数计算灵巧度会因矩阵单位不同而在某些位姿处变化趋势不一致。本文提出了一种基于动平台三点速度的归一化方法。利用遗传算法，以全局灵巧度最大为目标，以具有一定姿态能力的工作空间和机构体积作为约束条件进行了机构尺寸优化。
　　建立了包括运动控制单元、采集测量单元和安全保护单元的控制系统结构。考虑到操作者模型难以精确建立，提出了一种基于速度闭环的自适应力控制器，从理论上证明了操作者运动过程中，即使接触刚度为时变的，系统也能够全局渐近稳定，并能实现良好的力跟踪效果。
　　建立了医疗正骨主从遥操作系统，通过分析复位操作的特点，确定了主从遥操作实现的控制策略。通过自由运动、动物腿骨复位仿真和尸体腿骨复位仿真实验对主从系统的跟踪特性、操作效率和主从接骨可行性等综合性能进行验证，结果表明采用该力觉主手和控制策略对实现主从遥操作复位是合适的、可行的，并能提高操作效能。

目录

缩放式力觉主手研究及其在遥操作正骨手术中的应用

RESEARCH ON PANTOGRAPH HAPTICDEVICE AND APPLICATION INMASTER-SLAVE ORTHOPEDICSURGERY

摘要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1引言

1.2力觉主手/力觉感知设备发展现状

1.3 主手力控制及主从遥操作关键技术综述

1.4 主从遥操作在医疗机器人领域的应用

1.5 课题来源和主要研究内容

第2章 力觉主手机构设计及运动学分析

2.1 引言

2.2 力觉主手构型选择与设计

2.3 主手机构运动学分析

2.4 本章小结

第3章 基于Kane 方法的力觉主手动力学分析

3.1 引言

3.2 带有混合支链的并联主手动力学建模

3.3 基于矢量微分法运动部件速度、加速度的求解

3.4 偏速度与平台广义速度映射关系

3.5 动力学仿真计算与模型验证

3.6 本章小结

第4章 基于工作空间和灵巧度指标的尺寸优化

4.1 引言

4.2 基于改进Euler 角的工作空间分析

4.3 基于归一化雅可比矩阵的灵巧度

4.4 基于工作空间和灵巧度的机构尺寸优化

4.5 本章小结

第5章 控制系统设计及控制算法研究

5.1 引言

5.2 控制系统结构

5.3 主手控制算法研究

5.4 实验研究

5.5 本章小结

第6章 主从遥操作正骨手术系统建立及实验研究

6.1 引言

6.2 医疗正骨机器人辅助系统简介

6.3 医疗正骨辅助手术主从遥操作系统建立

6.4 医疗正骨主从遥操作性能实验

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

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