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腹腔微创手术机器人主从控制技术与实验

机器人 2012年第6期34卷 646-651,679页

作者：潘博付宜利冯美王树国徐殿国哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨150001

针对机器人微创手术的任务特点,在分析主从控制功能需求的基础上,采用工控机结合运动控制卡的控制体系构建机器人主从控制系统硬件平台.研究基于微分变换的主从操作实时控制算法,设计主从控制的辅助功能.在机器人系统集成基础上开展主... 详细信息

针对机器人微创手术的任务特点,在分析主从控制功能需求的基础上,采用工控机结合运动控制卡的控制体系构建机器人主从控制系统硬件平台.研究基于微分变换的主从操作实时控制算法,设计主从控制的辅助功能.在机器人系统集成基础上开展主从控制实验、生物组织实验及动物试验研究.实验表明所研制的机器人具有较好的主从控制性能,能够满足微创外科手术的实际需求.

关键词：微创手术机器人构型主从操作动物试验

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显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究

机器人 2006年第2期28卷 130-135页

作者：王树新丁杰男贠今天李群智韩保平天津大学机械工程学院天津300072 天津工业大学机械电子学院天津300160 天津医院显微手术科天津300211

描述了一套显微外科手术机器人系统———“妙手(M icroHand)”.该系统采用主从遥操作方式,主从手为同构异型模式:主手是具有三维力感觉功能的PHANToM Desktop,从手是针对显微外科手术特点而设计的高精度关节型机器人.从手末端安装有六... 详细信息

描述了一套显微外科手术机器人系统———“妙手(M icroHand)”.该系统采用主从遥操作方式,主从手为同构异型模式:主手是具有三维力感觉功能的PHANToM Desktop,从手是针对显微外科手术特点而设计的高精度关节型机器人.从手末端安装有六维力传感器M in i40,将检测到手术环境的力信息反馈给主手,从而使手术医生通过PHANToM感受手术环境的三维力信息.本系统成功地对兔子颈部和腿部1毫米动脉进行了血管吻合手术操作,证明了它的有效性.

关键词：显微外科手术机器人血管吻合主从操作异构力感觉

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人手到灵巧手指尖运动映射的实现

北京邮电大学学报 2005年第2期28卷 54-58页

作者：刘杰孙汉旭张玉茹北京机械工业自动化所机器人中心北京100112 北京邮电大学自动化学院北京航空航天大学机器人研究所北京100083

在人手到灵巧手的运动映射方面,人手和灵巧手在运动学上的异构现象造成了二者之间运动映射的困难.本文研究灵巧手的抓持规划,通过主从操作来实现.提出了一种基于虚拟手指的直角空间指尖运动映射方法实现人手到灵巧手的运动映射,以数据... 详细信息

在人手到灵巧手的运动映射方面,人手和灵巧手在运动学上的异构现象造成了二者之间运动映射的困难.本文研究灵巧手的抓持规划,通过主从操作来实现.提出了一种基于虚拟手指的直角空间指尖运动映射方法实现人手到灵巧手的运动映射,以数据手套为人机接口,测量手指的关节角度,建立手的运动学模型,根据运动学模型计算出指尖运动轨迹,完成指尖在抓取过程中的运动学分析,记录指尖在直角坐标空间的运动轨迹,实现了人手和灵巧手的三维运动仿真,完成了三维工作空间的可视化.在虚拟环境下,运动仿真验证了映射算法,证明了其有效性.

关键词：主从操作灵巧手运动映射

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人手到灵巧手的运动映射实现

机器人 2003年第5期25卷 444-447,451页

作者：刘杰张玉茹刘博北京航空航天大学机器人研究所北京100083

本文研究主从操作中人手到灵巧手的运动映射 .提出了一种基于虚拟关节和虚拟手指的关节空间运动映射方法 ,实现了人手和灵巧手的三维运动仿真 .以数据手套为人机接口 ,在虚拟环境下 ,通过直观地比较映射效果。

关键词：主从操作灵巧手运动映射人手虚拟关节虚拟手指

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工程机器人异构从手设计

工程机械 2003年第12期34卷 1-3+1页

作者：巩明德赵丁选倪涛丁德胜吉林大学机械科学与工程学院吉林大学机械科学与工程学院 130025

以主、从操纵机器人为核心的遥操作系统可以在人难以靠近的恶劣环境(高温、高压、强辐射、窒息等)下进行复杂的操纵作业。文章以液压挖掘机动臂为机械本体,改装成遥操作机械从手,满足人难以接近的恶劣环境的遥控操作的需要。

关键词：机器人异构从手主从操作液压伺服

腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究

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腹腔镜微创外科手术机器人主操作手的设计与实验研究

作者：周文亮天津大学

学位级别：硕士

腹腔镜微创外科手术机器人是医疗机器人的一个重要研究领域,用机器人技术结合医生的经验,不仅提高了手术质量和安全性,减轻了病人的痛苦,缩短了术后恢复时间,而且使微创手术技术应用于更精密的手术领域,扩展了微创技术的应用范围。本文... 详细信息

腹腔镜微创外科手术机器人是医疗机器人的一个重要研究领域,用机器人技术结合医生的经验,不仅提高了手术质量和安全性,减轻了病人的痛苦,缩短了术后恢复时间,而且使微创手术技术应用于更精密的手术领域,扩展了微创技术的应用范围。本文以腹腔镜微创外科手术机器人的主操作手为研究对象,针对机器人主从操作手“异构”的特点以及腹腔镜微创手术要求,研究了主手的构型,并设计实验进行精度标定。本文工作主要包括以下内容:首先,在保证主手工作空间的前提下,对主手的构型和尺寸参数进行了综合分析。主手前三个关节采用RRR形式,其第二和第三关节杆长度应尽可能相等;后三个关节均为回转关节,其旋转中心汇交于一点。根据确定的构型和尺度,结合主手自重平衡的要求,对主手进行了总体结构设计。其次,设计实验对主手进行精度标定。最后,设计了机器人主-从操作手运动控制实验,对机器人系统的主从映射的操作模式作了验证。

关键词：微创外科手术主操作手主从操作构型尺度精度标定

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力反馈型主操作手设计及其控制策略研究

力反馈型主操作手设计及其控制策略研究

作者：张林安天津大学

学位级别：硕士

主操作手是构成主从式手术机器人的重要组成部分,在主从式机器人及虚拟仿真中具有极其重要的作用。本文以微创手术机器人的主操作手为研究对象,对系统结构、运动性能、动力学计算、控制策略、力感觉的实现及实验验证等方面进行了研究分... 详细信息

主操作手是构成主从式手术机器人的重要组成部分,在主从式机器人及虚拟仿真中具有极其重要的作用。本文以微创手术机器人的主操作手为研究对象,对系统结构、运动性能、动力学计算、控制策略、力感觉的实现及实验验证等方面进行了研究分析,具体包括以下内容:首先,针对微创手术的特定需求,确定了具有结构简单、位姿解耦、自重平衡特点的7自由度主操作手构型。在工作空间分析及运动操作性能分析的基础上,对系统进行了优化设计;设计完成了满足微创手术操作要求的主操作手系统。其次,在运动学分析的基础上,利用拉格朗日方程建立了力反馈型主操作手的动力学数学模型,并进一步研究了主操作手实现力反馈的控制策略,初步实现静力反馈。最后,对主操作手系统的精度、静力反馈、主从运动精度等指标进行了标定验证。结果表明,系统的重复运动精度小于0.5mm,主从运动精度小于0.8mm。本文研究主操作手系统已在微创手术机器人“Micro Hand A”系统中得到成功应用:已作为医生输入端控制机器人从手完成了四例动物实验、作为仿真系统的输入设备控制虚拟环境中的手术工具完成了手术仿真。

关键词：力反馈型主操作手主从操作动力学控制策略力感觉实验标定

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微创介入导管远端主动导向技术研究

微创介入导管远端主动导向技术研究

作者：李黄享哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

微创介入手术以其创伤小、出血少和术后恢复快的优点,成为治疗心内疾病的重要手段。然而在传统介入手术中,由于导管端部弯曲形状固定,插管过程需要医生拥有丰富的临床经验和熟练的操作技术。任何错误和重复的操作,都可能使病人的血管或... 详细信息

微创介入手术以其创伤小、出血少和术后恢复快的优点,成为治疗心内疾病的重要手段。然而在传统介入手术中,由于导管端部弯曲形状固定,插管过程需要医生拥有丰富的临床经验和熟练的操作技术。任何错误和重复的操作,都可能使病人的血管或心脏造成损伤。此外,在实施手术过程中,医生长期遭受X射线辐射造成的伤害。针对上述缺点,本文对两种导管远端主动导向技术进行了研究,以改善导管进入血管分支的能力,降低手术操作难度。同时,采用主从操作方式实施插管操作,避免了医生遭受辐射。具体研究内容如下:研究了形状记忆合金(SMA)驱动的主动导管。在Brinson一维拉伸本构方程的基础上,建立了SMA弹簧本构方程,并根据相变条件对方程的缺陷进行了修正。在考虑形状记忆合金相变特点的影响下,建立了SMA导管的力学方程和传热学方程。结合各个方程,在Simulink环境下搭建了SMA主动导管模型,进行了仿真研究。对SMA主动导管进行了加热实验研究,其仿真结果符合实验数据,验证了模型的有效性。分别利用PID控制器和基于自适应神经网路模糊控制系统(ANFIS)的PID控制器,对SMA主动导管的角度弯曲控制进行了仿真研究。根据导管手柄机械结构设计了差动轮系式和滑台式两种导管手柄操纵装置,以代替医生来完成对导管远端的导向操作,并设计了移动平台以辅助导管进给操作。利用3自由度控制主手和运动控制卡搭建了导管手柄操纵装置的硬件平台,并研究了操作策略,提出了速度跟随和步进微调两种操作方式。基于VC++开发环境,通过控制主手完成了对导管手柄操纵装置的实时主从操作,进而控制导管远端实现自主导向功能。

关键词：微创介入手术形状记忆合金主动导管钢丝牵引导管导管手柄操纵装置主从操作

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特种车辆救援机械手控制系统的研究

特种车辆救援机械手控制系统的研究

作者：罗士军吉林大学

学位级别：硕士

以主、从随动控制系统为核心的视觉临场感远距离操作车辆救援机械手系统，可以在非确定性环境或极限环境下（如空间、海底、强辐射、战场等）进行复杂的操纵作业。操作者的操纵质量与对“从环境”信息（如视觉）的真实获得能力以及控制... 详细信息

以主、从随动控制系统为核心的视觉临场感远距离操作车辆救援机械手系统，可以在非确定性环境或极限环境下（如空间、海底、强辐射、战场等）进行复杂的操纵作业。操作者的操纵质量与对“从环境”信息（如视觉）的真实获得能力以及控制系统的动静态特性密切相关。借助于远距离操作机械手系统提供的视觉反馈，可以使操作者真实地感觉到机械手与被救援车辆的动态相互作用，使操作者完成复杂精密的操纵作业。以主、从随动控制系统为核心的视觉临场感远距离操作机械手系统的工作原理是由处在安全处的操作者，通过主手操纵杆操作现场工作的从手，从手做出与主手动作相似，位置关系按一定比例放大的动作，实现随动。从手上安装有摄像头，视频系统将作业现场的图像传回到操作者面前的屏幕上，为操作者提供视觉反馈。这种具有视觉反馈提示的操作方式，既有效地避免了操作者与危险环境直接接触，又能保证从手完成预定要求的工作。该系统用于特种车辆的救援可以确保救援人员的安全，大大提高工作效率，节约宝贵的时间。本文在对国内外主从随动远距离操纵机械手系统进行了广泛调研的基础上，建成一个具有视觉反馈的远距离操作车辆救援机械手系统。该远距离操纵车辆救援机械手系统由主从机械手、电液控制子系统、伺服控制子系统、视觉反馈子系统组成。并且讨论了各子系统的组成及功能的实现方法。针对电液伺服控制远距离操纵机械手的特点，进行了液压系统特性的研究，系统深入地分析了电液伺服控制算法和控制策略，提出了位置控制的试验方案，根据控制策略周密地设计了控制系统硬件，以及相应的软件。并分别针对从手各自由度，通过主从位置控制试验来验证所设计的位置控制器的合理性及有效性;结合理论与试验研究，现将完成的研究工作及创新性成果总结如下： 1．建立了一个基于电液伺服控制系统的具有视觉临场感的远距离操作车辆救援机械手系统，它具有远距离操作、精确位置控制、视觉反馈的功能。应用该系统可完成人难以接近或非确定环境下的操纵作业，达到对被救援车辆实施抢救的目的。 2．在考虑实际课题中主手操作空间的要求，且满足控制系统功能的前提下，又出于节省成本和操纵舒适性的考虑，自行设计了主手。 3．设计了三自由度电液伺服控制异构型从手、位置控制器。根据控制系统所建立起来的传递函数，设计出相应的控制方案和控制策略，并通过Matlab仿真和台架试验的方法来整定控制器的参数，设计出PID串联校正控制器，并对比例阀的死区进行了补偿，使液压缸的位置控制获得了良好的动态和静态特性。使用彩色摄像机、监视器和通信单元构成视觉反馈系统，显著提高了操作者对现场的临场感和工作效率。全面实现了远距离操作救援机械手的各项功能。 4．考虑从手的运动学特性，进行了主从手的坐标变换，系统深入地比较分析了伺服控制算法和控制策略，为进行电液伺服控制提供了理论基础。通过分析液压系统的特性，提出伺服控制试验方案。分别针对从手的各自由度，通过主从位置控制试验来验证所设计的位置控制器的合理性及有效性，以及所使用的控制算法的正确性。 5．在综合考虑远距离操纵控制系统各种特性的基础上，设计了控制系统的硬件，并设计了相应的软件。其中包括中央处理器的选型及外围电路的设计;针对三位四通比例换向阀的各方面特性，进行了电液比例控制器的设计，解决了传统比例控制器与传感器因电源不匹配而造成二者之间不能组成闭环控制的难题;提出伺服电机的控制方案，使得电机既可以实现正反转，又能够可靠制动;介绍了硬件和软件两方面采用的抗干扰技术。本文研究的具有视觉反馈的电液伺服远距离操作车辆救援机械手系统，可借助视觉反馈提示使操作者真实地感觉到机械手与被救援车辆的动态相互作用，完成人难以接近环境的复杂操纵作业。所进行的控制策略和试验研究，为具有电液伺服远距离操作救援机械手系统的实用化提供了经验和关键技术。本系统的推广应用将在未来抢险及特殊领域中发挥得天独厚和无可替代的作用，创造出巨大的经济效益与社会效益。

关键词：远距离操作机械手主从操作随动位置伺服控制电液比例伺服