微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制及抑振方法研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制及抑振方法研究硕士研究生：李晨正指导教师：于凌涛副教授学科、专业：机械工程论文主审人：隋立明讲师哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制及抑振方法研究硕士研究生：李晨正指导教师：于凌涛副教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADisse

2、rtationfortheDegreeofM.EngMaster-slavecontrolandvibrationsuppressionresearchofthelaparoscopearmfortheminimallyinvasiveabdominalsurgeryCandidate:LiChenzhengSupervisor:A.Prof.YuLingtaoAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSu

3、bmission:January.2018DateofOralExamination:March.2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本

4、人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□

5、在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日微创腹腔手术持镜臂系统的主从控制及抑振方法研究摘要微创腹腔手术机器人由主手系统和从手系统组成，从手系统包括持镜臂和持械臂，主手为外购的小型商用机械臂，医生操纵主手控制持械臂或持镜臂进行伤口切割、缝合或腹腔镜位姿调整等动作。由于从手机械臂体积庞大，再加上运动过程中频繁的换向，导致末端微器械或腹腔镜会产生振动。本文针对实验室研制的持镜臂系统，采用主从控制的方式实现腹腔镜位姿的调整，研究以压电陶瓷为作动器的主动

6、振动控制方法。首先，进行总体方案的设计。针对持镜臂的主从控制，对主手末端和腹腔镜之间的位姿映射方式进行分析，根据医疗手术场景提出需解决的关键问题，建立总体方案；针对腹腔镜的主动振动控制，采用压电陶瓷对持镜臂的启动、运动和停止三个阶段所引起的腹腔镜振动进行抑制，设计总体方案，并对所用硬件做简要介绍。然后，针对持镜臂的主从控制，建立持镜臂和PhantomOmni主手的运动学模型，采用位置增量式和姿态绝对式的位姿分离控制策略建立主从位姿映射关系，研究分析了基于基座坐标系和工具坐标系下的位置增量式控制算法，对数据通讯方式、比例映射、

7、二次映射和速度限制等问题进行分析，编写持镜臂的运动控制程序，建立以LabVIEW和MATLAB/Simulink软件为基础的解决方案，实现腹腔镜位姿的调整。其次，针对腹腔镜的主动振动控制，在MATLAB/Simulink内对总体方案进行仿真验证。将腹腔镜简化成空心圆柱体柔性臂，建立力锤及激振器激励下和压电陶瓷作动下柔性臂的振动响应方程。搭建压电陶瓷作动下的常规PID控制器和模糊自适应PID控制器，对力锤及激振器激励下柔性臂产生的振动进行抑制，振动抑制效果显著，验证了总体方案的可行性。最后，搭建PhantomOmni主手和持镜

8、臂的主从控制实验台，对于基座坐标系下的主从控制，验证比例映射、二次映射和速度限制算法的正确性，实现主手末端与腹腔镜的位姿跟随；对于工具坐标系下的主从控制，实现主手末端与腹腔镜所在视窗的位姿跟随，可为医生提供最佳的手术操作视野。关键词：持镜臂；主从控制；振动抑制；压电陶瓷；PID控制哈尔滨工