腹腔微创手术机器人主从实时控制算法.pdf

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1、腹腔微创手术机器人主从实时控制算法王树国，谢琦，潘博，付宜利(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨15O080)Master——slaveReal——timeControlAlgorithmforAbdominalMinimallyInvasiveSurgeryRobotWANGShu—guo，XIEQi，PANBo，FUYi—li(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150080，

2、China)摘要：根据D—H法对腹腔微创手术机器人进患者体内，医生借助监视器图像进行微创手术[1]。行了运动学分析。针对基于运动学反变换法的机器将机器人技术应用于微创外科手术会使手术过程中人运动模型，存在超越函数和存在多解，影响主从响的图像质量更加稳定，提高手术质量，同时也将减少应速度的问题。基于微分的思想，将微小时间内位医生的劳动强度。移代替瞬间速度，提出适合手术机器人的主从实时主从异构型医疗机器人的主从实时控制与一般控制算法。通过增加反馈环节消除这种算法的累积离线控制不同，必须在很短的时间内完成从手逆运误差

3、，提高系统的运动精度。动学的求解，逆运动学求解有多种方法，例如Paul关键词：微创外科手术；机器人；主从控制等人提出的反变换法[2]，Lee和Ziegler提出的几何中图分类号：TP241．3法[3和Pieper解法[4等，但是这几种方法得到的关文献标识码：A节变量表达式含有反正切等超越函数，且含有多个文章编号：1001～2257(2010)08—0061—04解，需要实时判断选择最优解，影响主从控制的响应Abstract：Conductedakinematicanalysisfor速度。本文以哈尔滨工业大学机

4、器人研究所研制的abdominalminimallyinvasivesurgeryrobotbased腹腔微创手术机器人作为研究对象，主要对手术机onD—Hmethod．Inordertosolvetheproblemof器人主从实时控制算法进行研究并进行了相关实lowmaster——slaveresponsivitycausedbythein—-验。versekinematicstransformmotionmodelbecause1主从手构型oftheexistenceoftranscendentalfun

5、ctionandthepresenceofmultiplesolutions．Basedondifferential主手选择具有7个自由度的瑞士商业化产品idea．replacetheinstantaneousvelocityoftimewithForceDimensionsomega．7。从手针对腹腔微创手flsmalldisplacement，flalgorithmsuitableforreal—术自主设计，由3条机械臂组成，中间的持镜机械臂timemaster-—slavesurgicalrobotcon

6、trolisput夹持内窥镜，另外2条器械机械臂进行手术操作，机forward，andtheaccumulatederrorofthealgo—器人主从手关节结构配置方案如图1所示。rithmiseliminatedbyfeedbackmechanism．Keywords：minimallyinvasivesurgery；robot；master．slavecontrol0引言微创外科手术MIS(minimallyinvasivesurger—y)是通过小切口把细长腹腔镜和微小手术器械植入(a)(b)图1手术机

7、器人主从手关节结构配置方案收稿日期：2010～o3—24基金项目：国家“八六三”计划资助项目(2007AA04Z248)结构为串联式关节配置，共有11个关节，如图《机械与电子}2010(8)·61·2所示。直线运动关节1实现机械臂整体的抬升与2．1正运动学降落；回转关节2、3、4为被动式关节，用于术前调整通过对机器人正运动学的研究可以准确地给出臂型。回转关节5、6通过内部的平行四边形机构保机器人末端点的位姿，为机器人的主从控制提供分证手术器械远心点的定点运动。直线运动关节7实析的手段和方法。按照D—H方法对机器

8、人进行分现手术器械末端沿插入点的直线运动。关节5、6、7析，得到手术机器人正运动学表达式为：配合使手术器械末端能够到达手术区域的任何位。。AlA22A3。A4A5A6A7置，实现末端定位。机械臂末端还有4个旋转关节aP8～11，以控制末端姿态，实现抓取、切割、剪切和夹aP捏动作。口户：O1T和A为齐次变换矩阵，P表示末端点的位置矢量，，O，a分别为相互垂直的单位向量。2．2逆雅克比法求