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穿刺手术机器人遥操作系统的控制策略研究

来源:    作者:    发布时间:2016-08-03 09:05:55    浏览量:

  摘 要: 在分析穿刺机器人系统功能需求的基础上,搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台,并给出雅克比矩阵方法和PD控制律的联合控制方法。通过设计数字滤波器,以消除外科医生的手部低频抖动对穿刺手术机器人精度的影响。实验结果表明,从机器人末端执行器在笛卡尔空间坐标下能够精确、快速、安全地跟随主机器人末端执行器的位置变化,并且外科医生的手部抖动能够被有效消除。

  关键词: 主从控制;雅克比矩阵;PD控制算法;抖动消除

  遥操作穿刺手术是通过专用手术器械插入患者体内,并在医学图像的引导下,对患者体内的病灶进行手术操作的外科手术,具有创伤小、痛苦小、康复快、术后并发症少等优点,是当前主要发达国家竞相研究的医学领域之一[1]。目前已有很多较为成熟的医疗遥操作系统,如Computer Motion公司研发的AESOP腹腔镜操作机器人[2]、Zeus微创手术机器人系统[3]以及Intuitive Surgical公司研发的Da Vinci微创手术机器人系统[4]。这些系统不仅为医生提供了先进的视觉反馈,而且让手术医生拥有了更加灵活的操作方式,在医疗手术机器人领域具有革命性的意义。

  穿刺手术主从机器人系统作为一个拥有主从控制方式的遥操作装置,近年来,在穿刺手术机器人遥操作研究中,其系统结构也从主从同构形式发展成了主从异构形式。主从异构机器人实时控制需要系统能够在短时间内完成机器人的正逆运动学计算、误差消除、抖动消除等。

  本文主要针对穿刺手术遥操作控制策略、抖动消除等进行了相关半实物仿真研究。本文方法的优点在于利用较为简单的控制系统结构,获得较好的控制精度和响应速度,并易于在实验中实现。

  1 遥操作主从机器人构型

  穿刺手术机器人系统采用主从式控制结构,外科医生通过操纵主机器人(主手)来实现对从机器人(从手)的控制。本系统的主机器人采用的是SensAble公司的Phantom Omni[5],具有6自由度(DOF),所有关节都为旋转关节,前3个关节控制机器人末端位置,后3个关节以三轴交汇的方式控制机器人姿态,如图1(a)所示。另外,本文所有坐标均是指在笛卡尔空间下的坐标。从机器人作为穿刺手术系统的执行部分负责完成手术操作,拥有6DOF,且都是旋转关节,前3个关节配合实现从机器人末端定位;后3个关节以三轴交汇的方式实现末端姿态调整,如图1(b)所示。

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  2 辅助穿刺遥操作系统

  主从控制系统在医疗机器人遥操作系统中处于核心的地位,起着协调主从手、监控手术对象、为操作者提供手术操作信息的作用。手术医生通过操作主手、主手的位置和速度信息,通过主从映射传递给病灶端的从手,从而实现主从手的快速、精确跟随。

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  主从控制系统框图如图2所示,其中Xm、Xg分别表示主手和从手末端执行器在笛卡尔空间坐标中的位置坐标;分别为主从手末端执行器在笛卡尔空间坐标中的速度矢量;分别表示从手关节角度和关节角速度矢量;为从手逆雅克比矩阵;k为主从映射比例系数;LPF为低通数字滤波器。

  2.1 主从控制策略的选取

  一般情况下,主从控制方案的选择与主从手的结构相关。主从同构型的机器人,主从手关节数目相同且一一对应,利用简单的关节-关节控制就能实现快速精确的主从控制。然而对于主从异构型的机器人,由于主从手各关节不再一一对应,不能利用关节控制来解决,必须引入主从手的运动学正、逆运算,在笛卡尔空间坐标系中建立起映射关系。

  笛卡尔空间坐标下的主从控制的关键在于逆运动学的求解,逆运动学求解有多种方法[6-8],但是这些方法得到的关节变量表达式可能含有超越函数,计算较为复杂,且会产生多个解,需要对这些解进行实时最优选取,影响了系统的实时性。本文基于微分变换的思想,利用逆雅克比矩阵进行逆运动学求解,得到唯一解,降低了运动学计算量,且实时性也得到了提高。

  雅克比矩阵能将机器人关节速度与末端在笛卡尔空间的速度联系起来,也可称为机器人关节空间速度向末端笛卡尔空间速度的映射,表示为:

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