文档介绍：硕士学位论文
具有虚拟向导的主从医疗机器人控制系统
研究
RESEARCH ON CONTROL SYSTEM OF
MASTER-SLAVE SURGICAL ROBOT
WITH VIRTUAL FIXTURE
池鹏
哈尔滨工业大学
2011 年 12 月
国内图书分类号:TP242 学校代码:10213
国际图书分类号:621 密级:公开
工学硕士学位论文
具有虚拟向导的主从医疗机器人控制系统
研究
硕士研究生: 池鹏
导师: 刘守斌副教授
申请学位: 工学硕士
学科、专业: 机械电子工程
所在单位: 深圳研究生院
答辩日期: 2011 年 12 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP242
: 621
Dissertation for the Master Degree of Engineering
RESEARCH ON CONTROL SYSTEM OF
MASTER-SLAVE SURGICAL ROBOT
WITH VIRTUAL FIXTURE
Candidate: Chi Peng
Supervisor: Associate Prof. Liu Shoubin
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Mechatronics Engineering
Affiliation: Shenzhen Graduate School
Date of Defence: December, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
传统手术都是通过大切口进入到病人体内需要治疗的部位,这种方法一般
称为开放性手术。微创手术是通过大约 1cm 的小切口将内窥镜和长的器械插
入体腔的一种可以替代传统手术的新方法。和传统手术相比,由于切口尺寸较
小,微创手术减少了病人的创伤,减轻了术后疼痛,缩短了住院时间。尽管它
有以上优点,对于手术医生而言,也存在一些缺点,例如缺乏灵活性和临场感
差等。
为了克服上述问题,本文设计了一种机器人辅助遥操作医疗手术系统,并
且提出了具有虚拟向导功能的双向控制策略。双向遥操作是人类直接控制具有
力觉或触觉反馈的远程机器人的方法;虚拟向导是一种引导模式,通过软件产
生的虚拟力或者额外的运动命令去辅助机器人完成遥操作任务。
本系统设计是基于主从操作模式,由 SenSable-Technologies 公司生产的力
反馈操作手 Phantom Omni 作为控制端主机器人,操作端采用安装了力传感器
的 6 自由度从机器人。控制系统采用二级计算机分级控制方式,上级 PC 机是
本系统的核心部分,负责算法实现和整个系统管理;下级 DMC-2183 运动控
制卡负责所有关节的位置伺服控制。
首先,本文设计了基于 PC 机和 DMC-2183 的开放式硬件平台,同时采用
面向对象的思想,使用 C/C++编程语言设计了基于 WINDOWS XP 操作系统的
软件系统。其次,进行了机器人运动学建模、正逆解和雅克比矩阵的求解,并
设计了示教再现模块和力采集模块。最后,在 VS2005 环境下对双向控制和虚
拟向导等算法进行编程。其中,双向控制是将传统的 P-P 控制算法进行改进,
实际上比较的是主从机器人的笛卡尔空间位置增量;虚拟向导算法的设计以位
置偏差的计算为基础,再通过弹簧-阻尼模型合成虚拟的引导力。
实验表明,主从遥操作系统具有良好的位置跟随性能,改善了微创手术中
医生缺乏灵活性和临场感差的缺陷,虚拟向导能够改善主从遥操作系统的执行
性能,带来了操作精准度的提升,通过直线虚拟向导实验也证明了该控制算法
是合理并且有效的。
关键词:医疗机器人;主从遥操作;双向控制;虚拟向导
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Surgery traditionally involves making a large incision to access the part