基于腹腔微创手术机器人的主从控制技术研究

根据机器人辅助腹腔微创手术任务的特点,采用高性能工业计算机为平台,构建以PCI总线方式通讯、功能可扩展的硬件结构,设计手术机器人主从控制系统.针对传统的基于运动学反变换法的主从控制存在超越函数和存在多解而影响主从响应速度的问题,基于等效微分变换法,提出适合于术机器人的实时主从摔制算法.设计了适合手术机器人实时主从控制的...     

微创血管介入手术机器人的主从交互控制方法与实现

微创血管介入手术是治疗冠心病的重要治疗手段, 手术中要求对导管、导丝等介入器械高精度递送.得益于机器人技术的高精度、可远程操作等特点, 血管介入手术机器人的研制受到了极大关注.在微创血管介入手术中, 按导管或导丝远端所处血管部位, 将介入器械递送过程分为三个阶段: 1) 主动脉阶段:导丝或导管远端位于主动脉, 需快速前送, 以减少X射线和造影剂的使用; 2) 冠脉入口阶段:导丝或导管远端进入冠脉, 此时需选择相应的病变冠脉分支; 3) 冠脉病变阶段:导丝或导管远端位于狭窄病变部位, 需要高精度操作才能使导丝或导管穿过狭窄病变.针对器械递送的不同阶段, 提出具有运动缩放的主从控制方法, 通过改变血管介入手术机器人主端和从端之间的运动缩放关系, 实现机器人从端对主端操作的放大、缩小或等比例复现.通过在微创血管介入手术机器人平台实验, 验证了机器人从端对主端操作缩放的可行性和有效性.通过操作时间和操作精度对比分析得到:在缩放因子为4时操作时间减少39.9%;在缩放因子为1/4时, 平移和旋转操作精度分别提高72.9%和77.1%.     

基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计

针对微创手术机器人运动过程受到信号干扰而导致机器入主从臂控制效果差、控制精度较低的问题,提出了基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;主控制器通过蓝牙的无线传输方式与主机连接,采用I/O口模拟SCI硬件流控方式,实现MCU与蓝牙通信,为系统提供基础数据;设计时钟基准电路的并联振荡模式,方便失控程序重启;根据运动控制器结构,设计预留模数转换接口,并对机器人主从操作臂展开详细分析;使用基于STFT短时傅里叶变换方法抑制外界干扰,在LM629运动控制专用集成芯片支持下设计控制流程,完成基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;设计对比实验,结果表明该系统与期望主臂运动轨迹的终点坐标(10 mm,-35 mm,45 mm)和从臂运动轨迹的终点坐标(18 mm,-45 mm,25 mm)一致,能够精准控制微创手术机器人运动精度,为医学手术智能化开展提供设备支持.     

具有震颤抑制的微创机器人主从控制系统设计

详述了一种用于抑制微创手术机器人震颤现象的主从控制系统,提出了针对人手生理震颤的新型零相位滤波方法及针对从操作臂关节“粘滑行为”的前馈补偿PD伺服算法。新型零相位滤波避免了传统低通滤波器容易造成延时和传统零相位滤波无法在线使用的缺点,前馈补偿PD伺服算法通过摩擦补偿克服了非线性摩擦对从操作臂运动造成的影响。最后,对系统进行仿真及实验,结果表明该方法能有效地抑制机器人手术工具末端的震颤现象。     

导管机器人系统的主从介入

传统的血管微创介入手术过程中医生在手术现场,其不可避免地遭受大量的X射线照射;并且导管的操作难度较大,对医生插管技术要求过高.针对此问题,研制了一种新型的集成有双电磁传感器的可定位导管机器人,并采用D-H法对其进行了运动学分析,同时设计了一套介入装置来代替医生进行导管操作,并通过对主从控制方法的研究实现了该系统的主从介入.在介入过程中,医生通过主手控制介入装置动作来实现导管的推/拉、旋转和弯曲操作,并可在引导图像的辅助下完成插管手术操作.实验表明,开发的可控导管具有较好的操作性能,介入装置实现了3种基本的介入操作,提高了导管的定位精度,同时主从介入方式也保证了医生在手术过程的安全性.     

具有主动约束的医疗机器人系统的主从控制

在分析了穿刺手术机器人系统功能需求的基础上,搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台。在主从控制的基础上,提出一个利用虚拟夹具VF(Virtual Fixture)算法结合Proxy的方法的主动约束控制策略。实验结果表明,系统能够在给定运动约束的情况下完成相应的主从控制。     

腹腔微创手术机器人末端执行机构的设计和实现

为了提高腹腔微创手术的安全性,设计了一种新型的腹腔微创手术机器人末端执行机构,用于夹持手术器械．根据腹腔微创手术的特点和技术要求,采用轴驱动和平行四杆的运动原理设计定点机构．详细介绍了末端执行机构的机械结构,应用D-H法和矢量代数法给出了各个关节的运动学解公式,研究了控制系统的硬件结构和软件系统,并进行了样机实验．实验表明所设计的末端执行机构具有很好的定点运动效果,能够较好地完成手术规划,满足腹腔微创手术要求．     

主从同构穿刺手术机器人遥操作控制策略研究

文章在分析了穿刺机器人系统功能需求的基础上,搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台。基于等效微分变换的思想,提出雅克比矩阵(Jacobian Matrix)方法和比例微分(Proportional-Derivative,PD)控制律的联合控制方法。通过设计数字滤波器来消除外科医生的手部低频抖动对穿刺手术机器人精度的影响。实验结果表明从机器人末端执行器在笛卡尔空间坐标下能够精确快速安全地跟随主机器人末端执行器的位置变化,并且主机器人端的手部抖动能够被消除。     

一套主从操作的双臂手术机器人系统

本文展示了一套经自然腔道手术(NOTES:Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery)的手术系统的开发。本系统主要包括一对遥操作主手,以及具有多个自由度的连续体结构的夹钳及黏膜切开刀。着重阐述了一对主手、末端连续体夹钳及连续体黏膜切开刀的机械结构,展示了主手和末端夹钳、切开刀之间的主从控制,运动学算法的验证以及在双通道内镜下夹取切割效果的实验验证,进而探究整套手术系统后续应用的可行性。     

面向脑外科微创手术的医疗机器人系统

机器人为微创外科手术的实施提供了有利的技术支持。本文针对传统脑外科手术的不足，开发研制了一套机器人辅助脑外科微创手术系统，主要由5自由度机器人、手术规划和导航软件及基于标志点的标定模块组成，其中机器人系统不仅可用于系统标定和导航，而且可作为手术的支撑平台。该系统已应用到临床中，成功完成了大量的微创脑外科手术。     

基于计算力矩的微创手术机器人控制

针对微创手术机器人通常采用的独立PD控制或基于重力补偿的PD控制,都必须预先设定好相应的PD常数,不能随刀具所受有效外载荷而进行自适应调节,从而影响了机器人的定位精度的问题.提出了一种基于计算力矩的控制模型,在拉格朗日动力学模型基础上引进控制量使机器人系统线性化,并且将静力学分析结果作为反馈信号,完成外载荷作用下的轨迹...     

主从式手术机器人主手消抖方法

针对实际操作中主手机械臂引入的抖动噪声,首先使用高精度加速度计对不同人不同时段的抖动信号进行采集并分析其特点,继而再根据抖动信号的先验信息设计改进型自适应带限多线性傅里叶拟合器(BMFLC).该方法使用覆盖抖动信号频率段的具有特定间隔的基频信号通过最小均方(LMS)算法拟合抖动信号,用以补偿手术操作中抖动信号的影响.针对抖动信号中幅值较高的频段,提出拟合器频带的稠密划分方法.实验结果表明,改进型BMFLC算法的补偿效果比标准型提高约10%.     

微创手术导管机器人系统变论域模糊PID控制

在微创血管手术导管机器人系统控制机器人送导管问题的研究中,为克服手动送管的缺陷,要求导管机器人系统能够快速响应、抗干扰能力强以及对目标轨迹的实时跟踪.传统模糊PID控制由于其精度与响应速度之间的矛盾,限制了在微创手术中的应用.提出采用变论域模糊PID控制,引入伸缩因子,在不降低响应速度的前提下改善模糊PID控制精度,进一步改善系统位置跟踪精度以及在主从微创手术中的实用性.仿真结果表明,所提出的变论域模糊PID控制对系统具有快速准确的跟踪性能和较强的鲁棒性能,证实了变论域模糊PID控制在主从微刨手术中的优越性与实用性.     

脊柱微创手术机器人研究现状

外科手术机器人是当前机器人研究领域的热点，机器人操作的精确性、稳定性已经得到医疗界及患者的认可。本文以脊柱微创手术为背景，对目前脊柱（骨科）手术机器人的研究现状及未来发展趋势进行分析和论述。     

空间机器人的主从和自主控制

本文在回顾空间机器人控制系统结构标准(NASREM)的基础上,根据空间机器人未来的应用前景,讨论了遥控主从和监控自主两神控制方式的实现以及必须解决的问题。     

一种主从操作的连续体机器人

本文展示了一个主从操作的连续体机器人(CR:Continuum Robot)系统的开发。此系统主要包括主手部分和CR从手部分。主手是具有六个自由度的串联式结构;从手的CR具有五个自由度,包括三个空间位置自由度、一个旋转自由度和一个夹钳开合自由度。着重阐述了主手的设计、从手端CR模块的设计和CR运动学算法的开发,并进行了主从控制的初期实验验证。通过这些功能的实现,该主从操作的柔性机器人将来可以成为经自然腔道手术(NOTES:Natural Orifice Transluminal EndoscopicSurgery)的重要工具。     

国际微创手术机器人的现状和发展趋势

1引言外科手术机器人是集成医学、机器人学、材料学、机械工程以及计算机和信息技术等诸多学科的复杂机器人系统。该先进技术的应用,给传统手术技术带来重大的变革和影响。自1985年Kwoh等[1]采用PUMA500工业机器人作为辅助定位装置完成首例脑部手术     

主从式带电作业机器人控制系统

介绍一种液压驱动的带电作业机器人主从式控制系统．首先简单说明整个系统的组成,系统采用液压驱动方式．然后提出将带电作业机器人控制系统分为主、从控制系统,且主、从控制器都采用微处理器TMS320F2812．最后对控制系统的算法进行研究,提出一种模糊PID控制的闭环控制方案,并进行matlab仿真,结果证明这是一种有价值的控制方案．