导管机器人系统的主从控制研究

论文摘要

随着心血管疾病患者的日益增多,血管微创介入手术作为一种有效手术方法广泛地应用于临床治疗中,因其具有创伤小、出血少、术后恢复快及复发性低等优点。但是,传统的微创介入手术的工作方式存在很多的局限性限制了其发展。故随着计算机技术辅助技术的发展以及交叉学科相融合的趋势下,课题组提出了构建导管机器人系统的思想。本文在已有成果的基础上对该系统的主从控制技术、力反馈技术以及局域网操作技术展开了研究。针对研制的可控导管运用D-H法进行了运动学分析,获得了导管的二维和三维运动空间,并对主手手柄和导管建立了增量式映射和空间点对点式映射,对应设计了开环增量式控制和闭环逆雅可比控制。前者采用按钮配合手柄往复式操作来独立实现导管的推/拉、弯曲/回复和旋转三种功能,操作者在操纵过程中操作者完全起主导作用;后者采用雅克矩阵来建立末端点操作空间速度与关节空间速度的关系,实现了导管末端点对手柄的位置跟踪,所以操作者在操作过程只需提供目标点位置坐标即可。同时还通过实验验证了两种控制方法的定位精度,并对两种控制方法从多个方面进行了比较。针对导管机器人系统的力反馈技术作了深入研究,包括介入装置力反馈、导管前端力反馈和虚拟引导约束力反馈。介入装置力反馈可以反映插管过程中导管介入力的综合效果,并在导航软件中以进度条和数值显示的方法体现出来;导管前端力反馈技术可以反映导管前端与周围血管组织的接触力作用,以图像的方式融入到导航软件中,并以其颜色来分辨所受外力的区间范围;虚拟引导约束力是针对闭环逆雅可比控制提出的,其运用以中心线点为圆心的一系列圆环面为参考来计算虚拟力来约束手柄运动,使手柄提供的目标位置位于圆环面内。针对导管机器人系统的局域网遥操作技术作了研究,搭建了远程桌面式的遥操作框架,实现了局域网内的开环增量式控制模式下的插管操作,并对双本地图像式遥操作框架作了探讨和研究,为将来进一步完善和提高遥操作控制的性能奠定了基础。将上述研究的技术集成到导管机器人系统中,增添与完善了该系统功能。运用此系统在胸腔血管模型内展开了模拟插管实验,验证了所提出的开环和闭环控制方法的可行性与有效性,也展示了力反馈技术对导管机器人系统插管操作过程的辅助作用,此外也验证了局域网内的主从遥操作模式的可行性,并从几个方面对本文设计的操作方式进行了分析和对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 导管机器人系统的主从控制技术
• 2.1 引言
• 2.2 主从控制设计的要求
• 2.3 可控导管的结构及其运动学分析
• 2.3.1 可控导管整体结构
• 2.3.2 可控导管的正运动学分析
• 2.3.3 可控导管的逆运动学分析
• 2.4 主手和介入装置的配置
• 2.4.1 控制主手
• 2.4.2 介入装置
• 2.5 主从映射方式
• 2.5.1 增量式映射
• 2.5.2 空间点对点映射
• 2.6 主从控制方法
• 2.6.1 开环增量式控制
• 2.6.2 闭环逆雅可比控制
• 2.7 两种控制方法的比较
• 2.8 本章小结
• 第3章 导管机器人系统的力反馈技术
• 3.1 引言
• 3.2 力反馈的辅助作用及设计任务
• 3.3 介入装置力反馈技术
• 3.3.1 介入装置力反馈传感器的原理及安装
• 3.3.2 介入装置力反馈数据显示及实验测试
• 3.4 导管前端力反馈技术
• 3.4.1 压敏橡胶的压阻效应
• 3.4.2 压敏橡胶传感器的标定
• 3.4.3 压敏橡胶传感器的安装及其图像显示
• 3.5 虚拟引导约束力技术
• 3.5.1 引导约束圆环面
• 3.5.2 虚拟力计算及反馈力设置
• 3.6 三种力反馈技术的分析与对比
• 3.7 本章小结
• 第4章 导管机器人系统的局域网遥操作技术
• 4.1 引言
• 4.2 局域网遥操作设计要求
• 4.3 局域网遥操作设计方法
• 4.4 远程桌面式
• 4.4.1 服务器端设计
• 4.4.2 客户机端设计
• 4.5 双本地图像式
• 4.6 两种局域网遥操作方式分析与对比
• 4.7 本章小结
• 第5章 导管机器人系统的技术集成及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 导管机器人系统的技术集成
• 5.2.1 系统组成
• 5.2.2 控制技术集成
• 5.2.3 力反馈技术和图像导航技术集成
• 5.3 导管机器人系统的插管实验
• 5.3.1 本地开环增量式控制的插管实验
• 5.3.2 本地闭环逆雅可比控制的插管实验
• 5.3.3 局域网内遥操作控制的插管实验
• 5.4 实验结果分析及讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢