手术机器人力反馈主从控制系统设计与技术研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lenchoguo
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随着科学技术的迅猛发展,主从式机器人在医疗方向有了广泛的应用,其中在微创手术中,脊柱微创手术是在骨科方面的创新应用,随着人民生活水平提高,人民对于医疗技术的要求也越来越高,当前微创手术大多是由医生手工操作完成,这样会产生诸多问题,比如医生需长久暴露在X光射线下,并存在疲劳后的操作颤抖问题。这些问题给医生健康和病人手术效果带来了很大隐患。本文根据项目需求主要做了关于主手机器人的相关研究,其中主手机器人论文主要简称为主手,从手机器人主要简称为从手。  首先论文介绍国内外关于主手机器人和力反馈的研究现状,其次针对串并联混合机器人进行了运动学求解,主要包括了正解和逆解。接着阐述力和位置的关系以及关节阻抗控制。最后完成整个主手控制系统的设计,其中主要包括了硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括了,电机和电机驱动选型、配置、编程以及CANOPEN的配置工作,力矩传感器的选型以及配置,和工控机的选型和使用说明。软件设计主要阐述了系统设计和模块化分处理。模块主要包括了比如状态机,通信,驱动等,软件还包括使用QT设计的虚拟从手。  系统工作流程简述如下,系统通过串口得到主手末端力矩传感器数据,通过网口得到从手末端力矩传感器数据,两者力和力矩通过转化模型导出力和位置的转化公式得出期望位置,然后通过逆解求得每个关节角的期望位置,然后将期望位置通过阻抗关系转为关节期望力矩,通过CAN总线发送期望力矩到电机驱动,工控机通过CAN接收电机实际位置,将电机实际位置通过正解得到实际的末端的位姿,将此位姿发送到从手,作为从手的期望位置。  论文最后通过仿真验证运动学和力反馈的可行性,以及通过两组不同的实验进行数据研究,一组为虚拟从手没有触碰到物体时,虚拟从手跟踪主手位姿效果,另一组实验为虚拟从手触碰到物体,虚拟从手跟踪主手的位姿以及力和力矩效果。数据结果表明主手均可达到较好的效果。
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