基于模型的微创手术机器人力检测技术研究

微创外科手术机器人系统不仅可以拓展医生进行微创外科手术的能力,而且可以增加医生手术操作精度、灵活性和视觉。力和触觉反馈在微创外科手术中起着极其重要的作用,它能够使医生感觉器官组织硬度和强度、测量组织属性、评估解剖学结构并且允许医生进行安全操作组织,实施恰当的力控制行为。目前商业上可获得的机器人系统缺乏力和触觉反馈,其最主要原因是由于在微创外科手术这个特殊环境下难以获取末端执行器和环境间的力和力矩信息。本文针对上述问题,提出了基于模型的力检测技术,实现了在无力和力矩传感器情况下,提取手术工具与环境之间的交互作用力,为微创外科机器人实现力检测和力反馈提供一切实可行的理论研究基础。论文主要研究内容和成果如下:1、根据腹腔微创外科手术特点,提出了MicroHand A系统的设计要求,并详细介绍了系统各部分组成和功能。在丝传动操作臂的运动学基础上,提出了“半回路丝传动法”,可直接列写电机角位移和关节角之间关系方程。利用旋量理论分析了主从操作臂的运动学,建立了部分丝传动的主动环节在笛卡尔空间、关节空间和电机驱动空间之间的映射关系。推导了主从操作臂的空间和物体雅克比矩阵。为实现后续主从异构直觉运动控制和基于模型的力检测技术奠定了前提基础。2、利用拉格朗日方法,建立了计及电机转子动力学和关节摩擦在内的通用开环链机器人操作臂和丝传动操作臂完整动力学模型。导出了基于动力学模型的机器人末端执行器和环境交互作用力的检测模型,为实现无力和力矩传感器情况下的力和力矩信息的获取奠定了理论研究基础。3、采用指数积公式和拉格朗日方法建立了MicroHand A系统中包含远程运动中心机构和丝传动的手术工具在内的主动环节的完整动力学模型。该模型计及了关节摩擦和电机转子动力学模型及丝传动对关节力矩耦合的影响。对该动力学模型进行了线性化处理,并通过实验方法利用最小二乘原理辨识了动力学参数,为实现基于模型的力检测技术提供了有力保障。4、设计了MicroHand A系统的主从控制硬件结构和软件算法,实现了在内窥镜图像系统下的直觉运动控制和缩放运动控制,解决了手眼不协调、主从操作臂运动学不一致和工作空间不匹配问题。为实现双边运动和力反馈控制,建立了简化为一自由度主从遥操作系统的动力学模型,并应用二端口网络理论进行了描述,推导了满足绝对稳定性的充分必要条件,并定性分析了控制参数对系统的稳定性和透明性的影响。5、有效的进行了基于模型的力检测实验和位置跟踪性能实验。力检测实验包括基于动力学模型的力检测精度测试实验和不同实验任务打结与缝合时的手术工具和环境之间的交互作用力的检测实验。进行了从操作臂对主操作臂的位置跟踪性能实验。验证了基于模型的力检测原理的正确性与技术可行性。