微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人反向驅(qū)動(dòng)控制方法研究.pdf

1、微創(chuàng)、精確是現(xiàn)代外科手術(shù)發(fā)展的顯著特征。憑借著創(chuàng)傷小，疼痛輕、恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，微創(chuàng)手術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)中，能夠顯著提高微創(chuàng)手術(shù)的治療效果，推動(dòng)臨床外科技術(shù)的發(fā)展。在機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)的術(shù)前設(shè)置階段，醫(yī)生需要手動(dòng)調(diào)整各操作臂的臂型，將手術(shù)器械插入患者體內(nèi)并調(diào)整好位姿。然而，操作臂關(guān)節(jié)間的阻力會(huì)阻礙手動(dòng)位姿調(diào)整，因此，亟需針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人探索一種關(guān)節(jié)阻力補(bǔ)償方法，提高關(guān)節(jié)的反向驅(qū)動(dòng)性能。本文針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從

2、操作臂遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)，分別對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行了反向驅(qū)動(dòng)控制研究，然后以實(shí)際應(yīng)用的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人為對(duì)象建立了其反向驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
　　本研究首先根據(jù)遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了簡化的單關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并建立了關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型分析運(yùn)動(dòng)過程中所受到的阻力，建立了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的阻力矩模型，并針對(duì)術(shù)前調(diào)整的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選擇了合適的摩擦模型。對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型中的未知參數(shù)，采用參數(shù)辨識(shí)的方法獲得其實(shí)際值。為了獲得可靠的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

3、狀態(tài)，設(shè)計(jì)了狀態(tài)觀測器對(duì)關(guān)節(jié)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并通過仿真優(yōu)化了觀測器的參數(shù)。針對(duì)靜摩擦力方向判斷困難問題，本文設(shè)計(jì)了雙向反向驅(qū)動(dòng)控制方法，有效提高了反向驅(qū)動(dòng)控制效果。由于移動(dòng)關(guān)節(jié)采用鋼絲繩傳動(dòng)形式，其柔性通常不可忽略，因此在分析了其傳動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用接觸力學(xué)的知識(shí)為移動(dòng)關(guān)節(jié)建立了柔性動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)各段鋼絲的傳動(dòng)關(guān)系及相應(yīng)質(zhì)量關(guān)系，確定了動(dòng)力學(xué)模型中的未知參數(shù)。由于移動(dòng)關(guān)節(jié)沒有安裝位置傳感器，無法建立狀態(tài)觀測器，因此利用數(shù)字濾波的方法從

4、伺服電機(jī)的碼盤直接獲得關(guān)節(jié)位置和速度等信息，用來計(jì)算反向驅(qū)動(dòng)所需的電機(jī)輸出力矩。在對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)分別進(jìn)行反向驅(qū)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，為微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人從操作臂的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)建立了完整的反向驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。利用拉格朗日法為遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)建立了動(dòng)力學(xué)模型，得到各關(guān)節(jié)力矩的表達(dá)式以及動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系。通過參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)得到各關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)際值。為遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu)建立了帶有耦合項(xiàng)的關(guān)節(jié)狀態(tài)觀測器，獲得準(zhǔn)確的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該反向驅(qū)動(dòng)控制方法的有效性，實(shí)