基于模型的力反饋主手力位補(bǔ)償研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人已成為力反饋遙操作機(jī)器人研究中的一個(gè)熱門(mén)研究領(lǐng)域，并且在未來(lái)的醫(yī)療服務(wù)中更具價(jià)值性和應(yīng)用前景。真實(shí)的力覺(jué)感知與對(duì)運(yùn)動(dòng)位置的精確遙操作是微創(chuàng)外科手術(shù)極為重要的兩個(gè)方面，其直接影響到醫(yī)生能否真實(shí)感知手術(shù)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(shí)施恰當(dāng)?shù)牧刂菩袨椤Ｄ壳拔?chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是缺乏力覺(jué)臨場(chǎng)感，存在著主手附加力和主手附加位移，使醫(yī)生不能真實(shí)的感知反饋力信息以及對(duì)運(yùn)動(dòng)位置的

2、精確遙操作，從而降低了微創(chuàng)外科手術(shù)的質(zhì)量、精度與安全。本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)力反饋主手附加力以及附加位移進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除主手附加力對(duì)醫(yī)生感知反饋力造成的影響以及消除主手附加位移對(duì)從手精確定位的影響，進(jìn)而提高微創(chuàng)手術(shù)的質(zhì)量和安全。本文的主要研究工作如下:
　　首先，基于Kane方程推導(dǎo)了力反饋主手的動(dòng)力學(xué)模型。建立準(zhǔn)確的完整力反饋主手動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)主手精確力反饋的重要前提，也是操作者感知真實(shí)反饋力信息的重要基礎(chǔ)。利用Kane方程動(dòng)

3、力學(xué)建模方法，建立計(jì)及力反饋主手的連桿重力、關(guān)節(jié)摩擦力以及慣性力的完整動(dòng)力學(xué)模型，為基于動(dòng)力學(xué)模型的主手附加力補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。
　　然后，進(jìn)行了基于模型的力反饋主手附加力補(bǔ)償策略的研究。在微創(chuàng)外科手術(shù)中，使醫(yī)生獲得良好的力覺(jué)臨場(chǎng)感，感知真實(shí)的反饋力信息對(duì)整個(gè)微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程中是極為重要的?；诹Ψ答佒魇值耐暾麆?dòng)力學(xué)模型，建立了力反饋主手的重力補(bǔ)償模型、關(guān)節(jié)摩擦力補(bǔ)償模型以及慣性力補(bǔ)償模型，通過(guò)主手附加力補(bǔ)償策略，消除因力反饋主手動(dòng)力學(xué)特

4、性對(duì)醫(yī)生感知反饋力造成的干擾，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生的真實(shí)力覺(jué)感知，從而實(shí)施恰當(dāng)?shù)牧刂菩袨?，提高手術(shù)的精度、質(zhì)量與安全。
　　最后，對(duì)反饋力對(duì)主手生成遙操作位置指令的影響進(jìn)行了分析，并確定了主手附加位移補(bǔ)償策略。分析了微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在位置-力控制結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的主手附加位移，產(chǎn)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(shù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)位置的不精確遙操作。仿真結(jié)果表明:因反饋力引起的主手附加位移對(duì)主手生成遙操作位