具有力反馈的脊柱手术机器人主从控制研究.pdf

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1、硕士学位论文具有力反馈的脊柱手术机器人主从控制研究RESEARCHONMASTER-SLAVECONTROLOFASPINALSURGICALROBOTWITHFORCEFEEDBACK益加福哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文具有力反馈的脊柱手术机器人主从控制研究硕士研究生：益加福导师：杜志江教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:621.865

2、.8DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHONMASTER-SLAVECONTROLOFASPINALSURGICALROBOTWITHFORCEFEEDBACKCandidate：YiJiafuSupervisor：Prof.DuZhijiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicEngineeringDateofDefence：Jun

3、e,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要临床中，传统的脊柱手术多采用开放式，对患者带来极大的痛苦且恢复时间较长。为了减轻患者痛苦，基于放射影像的脊柱微创手术应运而生。微创手术为患者带来福音的同时，也对医生提出了更高的要求，增加了手术的风险。将机器人应用于脊柱手术可以发挥机器人精度高、稳定可靠、不易疲劳的优势，是未来的发展方向。机器人向着智能化发展，然而现阶段的机器人尚未具备自主完成复杂任务的能力。人机协作作为另一发展方向，在充分发挥机器人长处、提高效率方面有着

4、举足轻重的地位。具有力反馈功能的主从式机器人具有良好的人机交互性能，结合传感技术还能实现预警和自动停止功能。若将上述优势应用于临床，则可以大大减轻医生的负担，降低手术的风险。机械系统精度是实现主从运动跟随和主手力反馈的基础和前提。文章首先以提高精度为目的，针对课题组自行研制的脊柱手术机器人，分析了主手及从端机器人的定位误差，建立误差模型并进行了仿真验证。借助粒子群算法，对误差模型中的未知量进行辨识，并对误差辨识算法的有效性进行了仿真验证。为实现主从运动跟随，采用了一种基于雅可比映射的增量式控制方法，据此建立主从映射机制，分别求得了主手和从端机器人的雅可比矩阵。对于该映射方式带来

5、的误差，采用前馈神经网络进行补偿；为了进一步消除累积误差，引入位置反馈补偿策略。反馈力掺杂主手附加力后，会造成操作者力觉失真，影响力觉临场感。为补偿主手附加力，建立了主手的动力学模型，并进行了简化以及仿真验证。通过动力学解求取，实现对附加力的实时补偿，并在以上前提下实现了力反馈。针对术前机器人动作过程中的跟随误差，将其以力的形式传递给主手操作者，起到警示和限制的作用，阻止误差的进一步扩大。文章建立了反馈力与主从跟随误差之间的阻抗模型，并通过模糊推理的方式实现阻抗参数的整定。最后，搭建实验平台，对文中提到的标定方法、运动控制算法、力反馈算法进行了系统实验验证。通过比较标定前后脊柱

6、手术机器人的定位精度，验证文中标定方式的有效性；通过对加入补偿前后主从跟随误差的比较，验证误差补偿算法的有效性；通过比较磨削新鲜牛脊骨过程中的接触力与反馈力，验证力反馈控制算法的有效性。关键词：脊柱手术机器人；运动学标定；主从运动控制；力反馈-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInclinical,traditionalspinalsurgeryisopen,whichcausesgreatpaintothepatientandtakesalongtimetorecover.Inordertoreducepatient'spainandshortenrecov

7、erytime,minimallyinvasivespinalsurgerybasedonradiographicimagesemerged.Whileminimallyinvasivesurgerybringsgoodnewstopatients,italsoputsforwardhigherrequirementsfordoctors,whichincreasestheriskofsurgery.Spinalsurgeryassistedbyrobotscangivefullplayto