手术机器人从手控制系统研究与开发

来源 :沈阳工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lixiaoliangtony
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微创外科手术机器人技术是近年发展起来的一个将医学、机械工程学等多学科知识集为一体的新兴的研究领域。与传统人工手术方式相比,其具有手术后伤口小、恢复快、稳定性高、医生工作量小等诸多优点。这使得微创手术机器人成为了未来发展的新趋势。微创手术机器人不同于传统腹腔手术,该方法是在微创手术的基础上应用机器人辅助进行手术的过程。对于手术机器人,从手是其重要组成部分之一,为了保证微创手术机器人能够准确的完成复杂手术,需要一种能够控制其从手完成高精度工作过程的控制系统。由于国内外微创手术机器人从手在力感知和力反馈伺服控制方面存在不足,例如不能从夹持手指直接读取力信号等问题,导致了手术机器人从手在手术过程中不能准确夹持到目标力。因此,针对上述问题,本文根据在微创手术机器人从手设计的基础上,针对力感知系统与力反馈伺服控制系统做了以下研究。首先,对微创手术机器人从手夹持手指的基本结构进行了分析。在此基础上,根据从手夹持手指的工作原理,设计了能实时测量夹持手指末端力信号的数据采集系统;根据所设计的微创手术机器人从手夹持工作力的范围和精度要求,结合数据采集系统的反馈力信号,设计了夹持手指的控制系统。其次,建立了手术机器人从手控制系统的数学模型。该模型包括控制系统的控制模型、描述夹持手指末端工作力与电机位置之间关系的数学模型。并且,通过上述建立的模型,推导出了电机相关参数以及控制器的参数。第三,在LabVIEW编程语言环境的基础上,采用LabVIEW与Matlab混合编程的方式,完成了控制系统的软件设计。软件设计过程主要包括手术机器人从手夹持力信号采集过程、从手控制过程以及控制模型计算过程的程序编写。最后,搭建了手术机器人从手夹持力系统的综合实验平台,对手术机器人从手采集过程及伺服控制过程进行了实验研究。通过对不同材料的物体、不同目标力的实验研究,对手术机器人从手系统的工作性能的分析。实验结果表明,其夹持力控制的平均相对误差约为2.6%,系统的夹持精度为0.025N,能够基本满足手术机器人从手的力感知和力控制要求。
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