【摘 要】
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本研究的主要目的是能够实现穿刺力建模,完成力控制系统的设计,从而实现医学手术过程中手术机器人的从手力觉控制,即当主手医生输入特定力函数,从手直流电机能够输出相应的力函数。本研究搭建了力建模与控制实验平台,并完成了力分析与建模、影响因素分析以及力控制实验。首先,对穿刺针穿刺过程的作用原理进行简要的分析,对穿刺过程中穿刺针的受力情况做出理论上的分析与推导,对实验建模过程中需要用到的解析模型进行选择与确
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目； 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目；
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本研究的主要目的是能够实现穿刺力建模,完成力控制系统的设计,从而实现医学手术过程中手术机器人的从手力觉控制,即当主手医生输入特定力函数,从手直流电机能够输出相应的力函数。本研究搭建了力建模与控制实验平台,并完成了力分析与建模、影响因素分析以及力控制实验。首先,对穿刺针穿刺过程的作用原理进行简要的分析,对穿刺过程中穿刺针的受力情况做出理论上的分析与推导,对实验建模过程中需要用到的解析模型进行选择与确定,对穿刺力建模过程中需要用到的假定与前提做出设定。其次,介绍了机器人辅助穿刺实验环境的搭建与设计过程,对穿刺平台的硬件系统做出设计,利用直流电机与线性位移平台作为穿刺过程的执行机构,利用直流电机控制器作为动力源,利用压电式力传感器获取穿刺过程中的穿刺力,使用数据采集卡对数据进行采集。设计多种类型的穿刺针以满足穿刺力建模要求、研究穿刺力受力的影响因素。设计穿刺针与软组织的固定机构,保证穿刺过程中系统的稳定,减少穿刺误差。再次,利用有限元软件和数学解析模型完成对穿刺针穿刺软组织过程的建模。利用实验数据分别对背膜阻力、摩擦力、切割力进行解析模型建模。在模型确立以后,分别对穿刺针的几何特性、穿刺的软组织对象类型以及穿刺方式等穿刺力的影响因素做出实验与分析。最后,利用LabVIEW平台,整合与设计了全自动化的数据采集系统,同时建立了穿刺力跟踪系统,优化与简化了各个模块的控制程序,重点分析了控制算法,完成了力控制系统的设计,对该系统进行实验验证。
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