面向心臟手術(shù)醫(yī)療機(jī)器人的異構(gòu)式主從控制研究.pdf

1、我國(guó)冠心病的發(fā)病率每年都在上升，而心臟搭橋手術(shù)作為傳統(tǒng)的冠心病治療手段存在諸多缺點(diǎn)：創(chuàng)傷大，術(shù)后恢復(fù)慢而且并發(fā)癥多。心臟手術(shù)機(jī)器人作為一種新型的心臟搭橋手術(shù)器械，因其準(zhǔn)確、可控且無(wú)疲勞問(wèn)題等特點(diǎn)，能夠很有效的克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，所以受到了人們的日益關(guān)注。心臟手術(shù)機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋了機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、心臟跟蹤控制、心臟信號(hào)處理、以及主從式遠(yuǎn)程控制等方面，本論文主要研究主從式遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)方法。
　　主從式遠(yuǎn)程控制是指操作者

2、利用主動(dòng)控制臂（主手）在遠(yuǎn)端通過(guò)數(shù)據(jù)線或者網(wǎng)絡(luò)控制手術(shù)機(jī)器人的手術(shù)臂（從手）進(jìn)行操作。目前商用醫(yī)療機(jī)器人主從手遠(yuǎn)程控制比較成熟，但是其為核心技術(shù)，不對(duì)外開(kāi)放，而現(xiàn)有的已發(fā)表的機(jī)器人主從手遠(yuǎn)程控制研究成果中，主從手的控制都被簡(jiǎn)化，采用同構(gòu)或者相同自由度的主從手結(jié)構(gòu)，這極大地提高了主手的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和遠(yuǎn)程控制的成本。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本論文將研究一種新的異構(gòu)式主從手控制方法，實(shí)現(xiàn)低自由度低成本的主手遠(yuǎn)程控制高自由度的從手。
　　本論文

3、，第一步建立了兩個(gè)機(jī)械臂之間的映射關(guān)系：采用笛卡爾工作空間映射，將主手的工作空間與從手的部分工作空間之間建立起一一映射的關(guān)系，節(jié)省了復(fù)雜的轉(zhuǎn)換矩陣、正逆雅可比矩陣運(yùn)算時(shí)間。同時(shí)，本論文設(shè)計(jì)了從手的路徑規(guī)劃算法，由于醫(yī)生操作的環(huán)境和從手所處的手術(shù)環(huán)境是不同的，從手不僅要根據(jù)胸腔內(nèi)手術(shù)的目標(biāo)位置，而且要考慮周圍健康組織的位置來(lái)規(guī)劃出一條合理的路徑。本論文采用OMPL中的算法來(lái)規(guī)劃從手路徑，并結(jié)合碰撞檢測(cè)算法來(lái)檢測(cè)規(guī)劃的路徑是否與健康組織發(fā)生

4、碰撞，從而實(shí)現(xiàn)從手能夠跟隨主手同時(shí)能根據(jù)實(shí)際環(huán)境規(guī)劃路徑。此外，由于醫(yī)生在控制主手時(shí)會(huì)不自覺(jué)的發(fā)生抖動(dòng)，這會(huì)影響心臟搭橋手術(shù)的準(zhǔn)確性，本論文針對(duì)這一現(xiàn)象，在主從控制環(huán)節(jié)中加入抖動(dòng)消除的環(huán)節(jié)。通過(guò)主手和振動(dòng)傳感器來(lái)采集人手抖動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)人手抖動(dòng)的特點(diǎn)采用自適應(yīng)濾波進(jìn)行了消除抖動(dòng)的仿真。
　　最后，我們搭建了異構(gòu)式主從手控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主手采用三自由度的PHANToM，從手采用六自由度的串聯(lián)輕量型機(jī)械臂。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了本文所提的主從