導(dǎo)管機器人系統(tǒng)的主從控制研究.pdf

1、隨著心血管疾病患者的日益增多，血管微創(chuàng)介入手術(shù)作為一種有效手術(shù)方法廣泛地應(yīng)用于臨床治療中，因其具有創(chuàng)傷小、出血少、術(shù)后恢復(fù)快及復(fù)發(fā)性低等優(yōu)點。但是，傳統(tǒng)的微創(chuàng)介入手術(shù)的工作方式存在很多的局限性限制了其發(fā)展。故隨著計算機技術(shù)輔助技術(shù)的發(fā)展以及交叉學(xué)科相融合的趨勢下，課題組提出了構(gòu)建導(dǎo)管機器人系統(tǒng)的思想。本文在已有成果的基礎(chǔ)上對該系統(tǒng)的主從控制技術(shù)、力反饋技術(shù)以及局域網(wǎng)操作技術(shù)展開了研究。
　　針對研制的可控導(dǎo)管運用D-H法進行了運動

2、學(xué)分析，獲得了導(dǎo)管的二維和三維運動空間，并對主手手柄和導(dǎo)管建立了增量式映射和空間點對點式映射，對應(yīng)設(shè)計了開環(huán)增量式控制和閉環(huán)逆雅可比控制。前者采用按鈕配合手柄往復(fù)式操作來獨立實現(xiàn)導(dǎo)管的推/拉、彎曲/回復(fù)和旋轉(zhuǎn)三種功能，操作者在操縱過程中操作者完全起主導(dǎo)作用；后者采用雅克矩陣來建立末端點操作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度的關(guān)系，實現(xiàn)了導(dǎo)管末端點對手柄的位置跟蹤，所以操作者在操作過程只需提供目標(biāo)點位置坐標(biāo)即可。同時還通過實驗驗證了兩種控制方法的定位

3、精度，并對兩種控制方法從多個方面進行了比較。
　　針對導(dǎo)管機器人系統(tǒng)的力反饋技術(shù)作了深入研究，包括介入裝置力反饋、導(dǎo)管前端力反饋和虛擬引導(dǎo)約束力反饋。介入裝置力反饋可以反映插管過程中導(dǎo)管介入力的綜合效果，并在導(dǎo)航軟件中以進度條和數(shù)值顯示的方法體現(xiàn)出來；導(dǎo)管前端力反饋技術(shù)可以反映導(dǎo)管前端與周圍血管組織的接觸力作用，以圖像的方式融入到導(dǎo)航軟件中，并以其顏色來分辨所受外力的區(qū)間范圍；虛擬引導(dǎo)約束力是針對閉環(huán)逆雅可比控制提出的，其運用以中

4、心線點為圓心的一系列圓環(huán)面為參考來計算虛擬力來約束手柄運動，使手柄提供的目標(biāo)位置位于圓環(huán)面內(nèi)。
　　針對導(dǎo)管機器人系統(tǒng)的局域網(wǎng)遙操作技術(shù)作了研究，搭建了遠程桌面式的遙操作框架，實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的開環(huán)增量式控制模式下的插管操作，并對雙本地圖像式遙操作框架作了探討和研究，為將來進一步完善和提高遙操作控制的性能奠定了基礎(chǔ)。
　　將上述研究的技術(shù)集成到導(dǎo)管機器人系統(tǒng)中，增添與完善了該系統(tǒng)功能。運用此系統(tǒng)在胸腔血管模型內(nèi)展開了模擬插管實