基于模型的力反饋主手力位補償研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術機器人已成為力反饋遙操作機器人研究中的一個熱門研究領域，并且在未來的醫(yī)療服務中更具價值性和應用前景。真實的力覺感知與對運動位置的精確遙操作是微創(chuàng)外科手術極為重要的兩個方面，其直接影響到醫(yī)生能否真實感知手術器械與患者組織之間的相互作用力，從而更好地更安全地操作力反饋主手，實施恰當的力控制行為。目前微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)存在的主要問題是缺乏力覺臨場感，存在著主手附加力和主手附加位移，使醫(yī)生不能真實的感知反饋力信息以及對運動位置的

2、精確遙操作，從而降低了微創(chuàng)外科手術的質量、精度與安全。本文針對上述問題，對力反饋主手附加力以及附加位移進行補償，從而消除主手附加力對醫(yī)生感知反饋力造成的影響以及消除主手附加位移對從手精確定位的影響，進而提高微創(chuàng)手術的質量和安全。本文的主要研究工作如下:
　　首先，基于Kane方程推導了力反饋主手的動力學模型。建立準確的完整力反饋主手動力學模型是實現主手精確力反饋的重要前提，也是操作者感知真實反饋力信息的重要基礎。利用Kane方程動

3、力學建模方法，建立計及力反饋主手的連桿重力、關節(jié)摩擦力以及慣性力的完整動力學模型，為基于動力學模型的主手附加力補償奠定基礎。
　　然后，進行了基于模型的力反饋主手附加力補償策略的研究。在微創(chuàng)外科手術中，使醫(yī)生獲得良好的力覺臨場感，感知真實的反饋力信息對整個微創(chuàng)手術過程中是極為重要的。基于力反饋主手的完整動力學模型，建立了力反饋主手的重力補償模型、關節(jié)摩擦力補償模型以及慣性力補償模型，通過主手附加力補償策略，消除因力反饋主手動力學特

4、性對醫(yī)生感知反饋力造成的干擾，以實現醫(yī)生的真實力覺感知，從而實施恰當的力控制行為，提高手術的精度、質量與安全。
　　最后，對反饋力對主手生成遙操作位置指令的影響進行了分析，并確定了主手附加位移補償策略。分析了微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)在位置-力控制結構下產生的主手附加位移，產生的主手附加位移使得主手生成了不精確的位置指令，最終將引起微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)運動位置的不精確遙操作。仿真結果表明:因反饋力引起的主手附加位移對主手生成遙操作位