腹腔微创手术机器人的主从控制

为提高基于内窥镜的腹腔微创手术机器人系统的手眼协调一致性,提出了一种主从控制方法.基于旋量理论建立从手系统的正逆运动学模型,基于运动模型提出内窥镜坐标系下的主从运动控制算法,该算法包含了运动的一致性控制、相对运动控制和比例运动控制.主手的腕部为被动方式(无电机驱动),不能在任意位置保持静止,在手术开始、中途中断或调节主手工作空间时,主手和从手姿态不能保持一致.为此,开展3种辅助功能实现研究,分别为主从姿态配准、手术器械更换和主从二次映射.最后进行了套环和穿线实验,这两组实验最大空间位置误差均小于1 mm,说明该算法可有效地提高手眼协调的一致性.     

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。     

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.     

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%.     

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。     

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。     

穿刺手术机器人遥操作系统的控制策略研究

在分析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,并给出雅克比矩阵方法和PD控制律的联合控制方法。通过设计数字滤波器,以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,并且外科医生的手部抖动能够被有效消除。     

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%.     

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．     

基于改进梯度投影算法的腹腔微创外科手术机器人系统术前摆位分析

通过机器人腹腔镜微创外科手术的术前摆位分析,使双器械臂具有较为合理的操作空间,以避免双器械臂在缝合、打结等协同手术操作中的运动干涉.首先,将两器械臂之间的最大距离指标作为梯度投影算法的优化目标函数,并利用双器械臂的封闭逆解方程对梯度投影法进行改进,较好地消除投影梯度法在逆解求解过程中存在的累积误差.最后,将改进的梯度投影算法应用于腹腔微创外科手术机器人术前摆位分析中,仿真结果表明该方法能够满足系统对术前摆位的要求.     

CT导航微创外科混联机器人拓扑结构分析

分析了CT导航微创外科手术环境对机器人的特殊要求,提出了一种新型串并混联机器人构型 .详细讨论了机器人的串、并联拓扑结构的设计依据,比较了多种串联微创外科机械臂的结 构类型,明确了串联部分的构型.针对传统并联机构灵活性较小的不足,提出并分析了并联 机构的结构框架,确定了并联部分的结构.基于螺旋理论重点求解了并联机构的位移输出特 征方程及其自由度,同时给出了串联部分的位移输出特征矩阵.通过灵活性仿真,验证了该 机器人可用于CT受限空间的微创外科定位手术.本文对于新型医疗机器人的构型设计提供了 一种理论参考.     

基于微创外科手术机器人操作手的夹持灵活度研究

为了反映外科手术机器人六自由度操作手的指尖在夹持点对物体的夹持能力,分析了夹持时指尖的姿态、夹持物的姿态及两者的关系．推导了指尖在夹持点对处于任意姿态的物体进行夹持时所需姿态的解析表达式,并借助姿态球给出了夹持灵活度的定义．研究了本机构工作空间中离散点的夹持灵活度,确定了指尖夹持的灵活空间,并通过SimMechanics进行了仿真验证．     

CT导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究

分析了目前微创外科机器人关节锁紧机构的发展现状和存在的问题,讨论了机器人关节摩擦力 矩产生的机理以及影响摩擦力矩的因素．针对当前医疗机器人锁紧结构不足之处,基于关节摩擦理论,提出 并设计了三种不同形式的CT 导航微创外科机器人关节锁紧结构,分别阐述了它们的工作原理和实现形式．通 过对不同结构的性能对比实验,确定采用基于外摩擦环的机器人关节锁紧结构,并初步验证基于该结构的机 器人系统可以满足CT 导航微创外科临床手术需求．     

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...     

基于准确度评估的7自由度手术机器人术前摆位优化算法

针对微创机器人辅助的外科手术复杂的术前摆位问题,以甲状腺微创手术用到的床旁双7自由度协作机器人为研究对象,将机械臂的运动准确度以及运动学性能作为优化目标,提出了机械臂准确度评估指标以及其对应的干涉指数,并提出了一套基于带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）多目标遗传算法的术前规划方法。最后,将由该遗传算法优化得...     

微创介入机器人系统设计与精度分析

针对微创介入手术对医生的身体危害性及难操作性等问题,设计了一种辅助医生手术操作的新型介入手术机器人系统,并详细阐述了模仿医生实际夹持与旋捻导管动作的仿生手指的设计理念以及基于神经网络的PID控制系统的设计过程。利用所研制出的血管介入机器人样机,开展了推进机构的精度实验,实验测试的各项精度结果证明所开发的推进机构满足精度的设计要求。通过对机构精度和误差来源的分析,给出提高精度的3条可行措施。本介入手术机器人满足设计要求,为同类产品的设计和改进提供了参考依据。     

腹腔镜机器人控制系统的设计及实现

根据机器人辅助微创手术任务的特点设计了腹腔镜机器人控制系统．研究了基于运动控制卡的 开放式机器人控制器结构,设计了机器人伺服系统及相应控制器硬件接口,采用面向对象的技术和模块化思 想开发了系统控制软件,应用灵活度和可操作度概念建立了腹腔镜机器人的手术规划和控制平台．通过调试 伺服参数提高了系统控制性能．实验表明,该腹腔镜机器人控制系统具有稳定性、高可靠性和多任务适应性, 满足微创手术需求．