微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制及抑振方法研究

摘要

微创腹腔手术机器人由主手系统和从手系统组成，从手系统包括持镜臂和持械臂，主手为外购的小型商用机械臂，医生操纵主手控制持械臂或持镜臂进行伤口切割、缝合或腹腔镜位姿调整等动作。由于从手机械臂体积庞大，再加上运动过程中频繁的换向，导致末端微器械或腹腔镜会产生振动。本文针对实验室研制的持镜臂系统，采用主从控制的方式实现腹腔镜位姿的调整，研究以压电陶瓷为作动器的主动振动控制方法。
　　首先，进行总体方案的设计。针对持镜臂的主从控制，对主手末端和腹腔镜之间的位姿映射方式进行分析，根据医疗手术场景提出需解决的关键问题，建立总体方案;针对腹腔镜的主动振动控制，采用压电陶瓷对持镜臂的启动、运动和停止三个阶段所引起的腹腔镜振动进行抑制，设计总体方案，并对所用硬件做简要介绍。
　　然后，针对持镜臂的主从控制，建立持镜臂和Phantom Omni主手的运动学模型，采用位置增量式和姿态绝对式的位姿分离控制策略建立主从位姿映射关系，研究分析了基于基座坐标系和工具坐标系下的位置增量式控制算法，对数据通讯方式、比例映射、二次映射和速度限制等问题进行分析，编写持镜臂的运动控制程序，建立以LabVIEW和MATLAB/Simulink软件为基础的解决方案，实现腹腔镜位姿的调整。
　　其次，针对腹腔镜的主动振动控制，在MATLAB/Simulink内对总体方案进行仿真验证。将腹腔镜简化成空心圆柱体柔性臂，建立力锤及激振器激励下和压电陶瓷作动下柔性臂的振动响应方程。搭建压电陶瓷作动下的常规PID控制器和模糊自适应PID控制器，对力锤及激振器激励下柔性臂产生的振动进行抑制，振动抑制效果显著，验证了总体方案的可行性。
　　最后，搭建Phantom Omni主手和持镜臂的主从控制实验台，对于基座坐标系下的主从控制，验证比例映射、二次映射和速度限制算法的正确性，实现主手末端与腹腔镜的位姿跟随;对于工具坐标系下的主从控制，实现主手末端与腹腔镜所在视窗的位姿跟随，可为医生提供最佳的手术操作视野。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的目的意义

1．2微创外科手术机器人的国内外研究现状

1．2．1微创外科手术机器人的国外研究现状

1．2．2微创外科手术机器人的国内研究现状

1．3机械臂振动控制的研究现状

1．4论文主要的研究内容

第2章总体方案设计及硬件介绍

2．1引言

2．2微创腹腔手术持镜臂主从控制的总体方案及硬件介绍

2．2．1总体方案设计

2．2．2主从控制所用硬件介绍

2．3腹腔镜主动振动控制的总体方案及硬件介绍

2．3．1压电陶瓷简介

2．3．2总体方案设计

2．3．3主动振动控制所用硬件介绍

2．4本章小结

第3章微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制策略研究

3．1引言

3．2微创腹腔手术持镜臂及Phantom Omni主手运动学分析

3．2．1微创腹腔手术持镜臂正逆运动学的建立

3．2．2 Phantom Omni主手正运动学的建立

3．3主从控制策略研究

3．3．1基于位置增量式的主从控制算法

3．3．2基于姿态绝对式的主从控制算法

3．4主从控制策略中的关键问题

3．4．1主从控制的数据通讯方式

3．4．2主从控制的比例映射

3．4．3主从控制的二次映射

3．4．4主从控制的速度限制

3．4．5持镜臂运动控制程序的设计

3．5本章小结

第4章微创腹腔手术持镜臂系统的抑振方法研究

4．1引言

4．2腹腔镜的振动方程建模

4．2．1自由振动下柔性臂动力学模型的建立

4．2．2压电陶瓷作动下柔性臂动力学模型的建立

4．2．3力锤及激振器激励下柔性臂动力学模型的建立

4．3柔性臂主动振动控制规律的设计

4．3．1常规PID控制器的设计

4．3．2模糊自适应PID控制器的设计

4．3．3常规PID和模糊自适应PID控制器的仿真及分析

4．4本章小结

第5章微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制实验研究

5．1引言

5．2基于基座坐标系下持镜臂主从控制的实验验证

5．2．1实验平台的搭建及初步调试

5．2．2主从比例映射的实验验证

5．2．3主从二次映射的实验验证

5．2．4主从速度限制的仿真验证

5．2．5主从位姿跟随的实验验证

5．3基于工具坐标系下持镜臂主从控制的实验验证

5．3．1实验平台的搭建及初步调试

5．3．2主从位置跟随的实验验证

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢