【摘 要】
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机器人辅助微创手术可减小患者的创伤,缩短术后康复的时间,因此受到患者的青睐。本文针对自主研发的机器人辅助微创手术系统,进行了微创手术机器人控制系统的研究,研究内容主要包括主-从直观控制、柔性手术器械运动学和主操作手操控舒适性研究。首先根据微创手术机器人的结构建立了主操作手、从端机器人和柔性手术器械运动学模型,并建立驱动绳缆长度变化与柔性器械末端位置变化的对应关系。软硬件方面:硬件系统采用上下位机的
【基金项目】
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吉林省发改委项目《辅助胸腹腔微创手术的新型机器人系统》（项目编号 2019C048-3）；
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机器人辅助微创手术可减小患者的创伤,缩短术后康复的时间,因此受到患者的青睐。本文针对自主研发的机器人辅助微创手术系统,进行了微创手术机器人控制系统的研究,研究内容主要包括主-从直观控制、柔性手术器械运动学和主操作手操控舒适性研究。首先根据微创手术机器人的结构建立了主操作手、从端机器人和柔性手术器械运动学模型,并建立驱动绳缆长度变化与柔性器械末端位置变化的对应关系。软硬件方面:硬件系统采用上下位机的控制模式,由运动控制卡实现多轴实时运动控制,提高了系统实时性,软件系统模块化实现多机械臂主-从切换控制。控制策略方面:根据主-从异构和主-从控制特点,提出了位姿分离的控制策略实现主-从增量控制;并根基根据微创手术切口位置固定的工作特点,建立了内窥镜到手术器械坐标系的变换关系,实现了主-从直观控制。为了提高医生操控的舒适性,针对自主开发的七自由度位姿解耦的串联型主操作手提出了一种杆长优化方法。该方法根据微创手术要求,利用人机工程学和主操作手运动学建立了关于主操作手工作空间和操作灵巧度的多个优化指标,并采用组合赋权法通过合理赋予不同优化指标权重建立了主操作手杆长优化的综合性能指标。设计主操作手性能测试实验,验证了优化后的主操作手工作空间覆盖了人手极限操作空间和人手操作舒适空间,在人手极限操作空间内具有较高的灵巧度。使用自主研制主操作手在内窥镜视野下控制柔性器械,操作者通过主操作手控制器械,使器械在内窥镜反馈的图像与主操作手具有相同的运动趋势,验证了机器人系统的运动学和主-从控制策略的有效性,实验证明在所提出的运动学求解方法和主-从控制策略下,从端机器人可以在主操作手的控制下完成主-从直观操控,并通过3D动作捕捉系统记录主-从跟随轨迹,通过主-从跟随轨迹对比,验证了机器人系统具有良好的运动精度。最后通过小环抓取实验验证该机器人系统能在主-从式控制下实现精细化操作。
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