基于虚拟力/触觉引导的外科遥操作实验平台的设计与实现

论文摘要

近年来计算机与机器人技术已经越来越普遍的应用于临床医疗领域。具有良好的可视化系统和灵活的运动机构,使得外科手术机器人可以带来一系列的改进,例如能够克服人手的抖动,可以减轻生理疲劳,可以量化操作。此外准度和精度都是传统的微创治疗手术所不可比拟的优势。另一方面,缺少触觉反馈和临场感差的问题长期以来也制约了遥操作机器人在外科领域的进一步发展,特别是在一些要求严苛的临床应用场合。一种改善外科遥操作系统执行性能的有效方式是医生根据任务的不同在术前就定义一些运动约束,借助这些约束系统可以在术中生成一些虚拟的接触力,这些力的作用可以迫使医生在手术中沿着既定的轨迹实施操作（轨迹引导）或者避免手术器械触碰到脆弱的生理区域（禁区规避）造成器官或者组织的损伤。这就是虚拟的力/触觉引导。通过对系统的需求分析,设计并实现了一个具备一定虚拟力/触觉引导功能的主-从遥操作实验平台。遥操作系统的设计采用Pantom Omni设备作为主操作臂,仿AESOP结构的机械臂作为从执行臂,DMC多轴运动控制卡作为从机械臂内环控制的执行器。遥操作的实现基于主、从两机械臂之间的笛卡尔空间位置的映射,以传统的位置-位置控制器作为核心的控制策略。虚拟力/触觉引导算法的设计以位置背离的计算为基础,首先根据任务的划分选择三种背离计算方法（点背离、直线背离、平面背离）中的一种,再通过弹簧-振子模型合成虚拟的引导力。测试表明,虚拟力/触觉引导确实能够改善主-从遥操作系统的执行性能,确实带来了操作精准度的提升,这种基于背离计算和弹簧-振子模型的虚拟力合成算法是合理并且有效的。另一方面,通过对系统稳定性的分析发现,采用位置-位置控制策略使系统存在潜在的不稳定性,要使系统更加稳定还得继续对控制策略进行调整。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 手术机器人的研究现状
• 1.3 手术机器人的产业现状
• 1.4 本文的主要工作与章节安排
• 2 相关工作分析
• 2.1 外科遥操作系统分析
• 2.2 力/触觉引导分析
• 2.3 本章小结
• 3 需求分析
• 3.1 典型案例分析
• 3.2 功能需求
• 3.3 非功能需求
• 3.4 制约因素
• 3.5 本章小结
• 4 外科遥操作实验平台的设计
• 4.1 硬件平台的结构设计
• 4.2 硬件平台的接口设计
• 4.3 从机械臂的机构设计
• 4.4 主机械臂的机构设计
• 4.5 软件平台的结构设计
• 4.6 运动控制模块的设计
• 4.7 触觉引导模块的设计
• 4.8 网络通信模块的设计
• 4.9 本章小结
• 5 外科遥操作实验平台的实现
• 5.1 硬件平台的实现
• 5.2 软件平台的实现
• 5.3 本章小结
• 6 系统测试与分析
• 6.1 功能测试
• 6.2 性能测试
• 6.3 可靠性测试
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献