主从式骨科手术机器人遥操作力反馈技术

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微创手术机器人在近年来取得了飞速的发展,机器人可代替医生扶持手术器械以减轻疲劳感,还能够减小患者创伤,加快术后康复速度。此外,微创手术机器人的主从遥操作控制模式可使医生远离X射线的辐射,保证了医生的健康。骨科手术因其任务性质与工业加工的相似性,机器人技术可以更灵活地运用其中。然而,当前的主从式骨科手术机器人技术中还存在以下问题:在进行运动控制时,由于主从机器人采用异构的形式,主从工作空间与机器人摆位上的差异会影响医生操作的直觉性,导致从机器人无法按照医生的意图进行运动;当医生通过力反馈的方式感知到从机器人与环境的接触情况时,反馈力的突变会导致主操作手出现冲击性的诱导运动,引发整个遥操作系统的失稳,甚至对病人造成伤害。针对上述问题,本文提出了基于位姿分离的增量式遥操作运动控制策略;然后,利用人体刚度设计了力反馈控制器提供相应的反馈力,消除了主操作手的诱导运动;最后,基于能量罐理论,保证整个系统接触行为的稳定性。本文的主要研究内容如下:1、在遥操作运动控制方面,首先根据髋骨修复手术的特点及要求,选用Sigma.7作为主操作手,LBR iiwa 14机作为从机器人,并设计了手术中需要连接在机器人末端的手术器械,通过正逆运动学分析得到了手术器械与从机器人末端的运动映射关系。根据主操作手和从机器人的工作空间特性,提出了基于位姿分离的遥操作运动控制策略,建立了主操作手和手术器械末端的位姿对应关系,并基于此设计了满足不同需求的运动控制模块。2、在力反馈控制方面,采用阻抗控制实现了从机器人与环境的柔顺接触,减轻了手术器械与环境的碰撞。在主端,利用递推最小二乘法设计了刚度估计器,来提取医生手臂用于抵消反馈力而增加的刚度,并利用该刚度设计了力反馈控制器来控制主操作手将反馈力复现给医生,这种控制方式避免了主操作手因反馈力的突变而产生冲击性的诱导运动。3、在系统整体稳定性控制方面,采用双层控制框架设计主从控制系统,将其分为透明性层和无源性层两部分。在透明性层中,主从操作手交换位置信息和反馈力信息,利用这些信息生成控制指令,实现主从端的双边控制。在无源性层中,利用能量罐理论对主从两端的控制器进行无源性分析,判断控制系统是否具有稳定性,确保机器人能够遵循医生的意图安全地执行任务。4、通过实验验证了所提出的控制策略的可行性,采用选定的主从机器人搭建了实验平台,对运动控制策略以及力反馈控制策略进行了验证。在运动控制实验中,手术器械末端的运动轨迹能够与主操作手末端的运动轨迹准确匹配。在刚度估计实验中,所设计的刚度估计器得到的刚度估计值与真实值之间的误差不超过5%。在力反馈控制实验中,通过手术器械末端的运动轨迹可表明所提的控制策略能使手术器械与环境稳定地接触,且在稳定接触时,根据力反馈控制器得出的反馈力与实际接触力的误差不超过5%。
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