基于模型的微创手术机器人力检测技术研究.pdf

基于模型的微创手术机器人力检测技术研究扭撼工程扭越直王工程研究生:塞宏强三挝堑麴援一级学科:学科专业:指导教师:天津大学机械工程学院二。一一年五月‘ぁⅰ
学位论文作者签名:彩。摇、学位论文作者签名:毒丢、,也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证:行完全了角譬丕盗盘茎特授权墨凄盘茔口越宦傥牡娜ú∽.嚏,穸月日弓:审瑁簀’尊本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签字日期:晁暝,索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供鱼嗣:和胰ΑM挲校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄋ得小学化:导师签名:.,参▲/二
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摘要微创外科手术机器人系统不仅可以拓展医生进行微创外科手术的能力,而且可以增加医生手术操作精度、灵活性和视觉。力和触觉反馈在微创外科手术性、评估解剖学结构并且允许医生进行安全操作组织,实施恰当的力控制行为。创外科手术这个特殊环境下难以获取末端执行器和环境间的力和力矩信息。本文针对上述问题,提出了基于模型的力检测技术,实现了在无力和力矩传感器情况下,提取手术工具与环境之间的交互作用力,为微创外科机器人实现力检⒏莞骨晃⒋赐饪剖质跆氐悖岢隽薓“半回路丝传动法”,可直接列写电机角位移和关节角之间关系方程。利用旋量理论分析了主从操作臂的运动学,建立了部分丝传动的主动环节在笛卡尔空间、克比矩阵。为实现后续主从异构直觉运动控制和基于模型的力检测技术奠定了开环链机器人操作臂和丝传动操作臂完整动力学模型。导出了基于动力学模型情况下的力和力矩信息的获取奠定了理论研究基础。动中心机构和丝传动的手术工具在内的主动环节的完整动力学模型。该模型计参数,为实现基于模型的力检测技术提供了有力保障。卜中起着极其重要的作用,它能够使医生感觉器官组织硬度和强度、测量组织属目前商业上可获得的机器人系统缺乏力和触觉反馈,其最主要原因是由于在微测和力反馈提供一切实可行的理论研究基础。论文主要研究内容和成果如下:低车纳杓埔G螅详细介绍了系统各部分组成和功能。在丝传动操作臂的运动学基础上,提出了关节空间和电机驱动空间之间的映射关系。推导了主从操作臂的空间和物体雅前提基础。⒗美窭嗜辗椒ǎ⒘思萍暗缁W佣ρШ凸亟谀Σ猎谀诘耐ㄓ的机器人末端执行器和环境交互作用力的检测模型,为实现无力和力矩传感器⒉捎弥甘胶屠窭嗜辗椒ń⒘薓低持邪冻淘及了关节摩擦和电机转子动力学模型及丝传动对关节力矩耦合的影响。对该动力学模型进行了线性化处理,并通过实验方法利用最小二乘原理辨识了动力学⑸杓屏薓低车闹鞔涌刂朴布峁购腿砑惴ǎ迪至嗽谀窥镜图像系统下的直觉运动控制和缩放运动控制,解决了手眼不协调、主从操.’
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作臂运动学不一致和工作空间不匹配问题。为实现双边运动和力反馈控制,建立了简化为一自由度主从遥操作系统的动力学模型,并应用二端网络理论进⒂行У慕辛嘶谀P偷牧觳馐笛楹臀恢酶傩阅苁笛椤A觳馐笛包括基于动力学模型的力检测精度测试实验和不同实验任务打结与缝合时的手术工具和环境之间的交互作用力的检测实验。进行了从操作臂对主操作臂的位关键词:微创外科手术机器人、丝传动、力检测、动力学模型、参数辨识、主从直觉运动控制、运动和力反馈控制户行了描述,推导了满足绝对稳定性的充分必要条件,并定性分析了控制参数对系统的稳定性和透明性的影响。置跟踪性能实验。验证了基于模型的力检测原理的正确性与技术可行性。▲‘
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