基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制.pdf

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1、基于力反馈的颅颌面骨科手术机器人协调控制张海青，栾楠，张诗雷，桂海军，袁斯辰(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海200011)CooperativeControlofCranio——maxillofacialSurgicalRobotBasedonForce——feedbackZHANGHai—qing，LUANNan，ZhangShi—lei，GUIHai—jun，YUANSi—chert(1．SchoolofMechanicalEng

2、ineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；2．ShanghaiNinthPeople’sHospitalAffiliatedtOShanghaiJiaoTongUniversityofMedicine，Shanghai200011，China)摘要：虚拟约束基于操作空间的正交分解，将末日本的关节造型机器人_3等。现有的这些骨科手术端执行器的位置和姿态空间分别分解为自由运动和系统，大都专门用于膝、髋关节造型方面。其中受约束运动2部分

3、，实现准确的预定义轨迹跟踪和ACRobot工作在随动方式，其它为自动操作，且末灵活的器械姿态调整；医生借助力反馈获得可靠的端执行工具为钻，主要实现骨面磨削、钻孔等比较容临场感，依据自己的经验判断调整手术进度、施力大易控制并自动执行的手术动作。对颅颌面骨整复手小，达到对手术操作的控制。术来说，手术操作类型以切割为主钻磨为辅，手术中关键词：协调控制；虚拟约束；姿态空间；位置空时刻要求锯片方向与规划轨迹切向保持一致，且解间；力反馈剖结构复杂，涉及头部重要组织结构，自动化的操作中图分类号：TH787方式难以随

4、时根据阻力、切割截面状况和操作干涉文献标识码：A情况调整手术动作。而医生的经验判断和术中手眼文章编号：1001—2257(2012)05—0062—03结合可以方便的对手术策略做出指导和调整，但传Abstract：Theconceptofvirtualfixturesis统的医生主刀操作存在手术精度不够、难以实现精usedtorestrictmotionoftherobotmanipulatorac—细手术力控制的问题。cordingtopre—operativelydefinedtrajectory

5、and对于颅一颌面骨科手术操作来说，单纯的自主式postureconstraints．Orthogonaldecompositionis或被动式操作都不能满足要求。较好的方案是，既usedheretoassigncontrolofthemanipulatorto能实现医生对机械臂动作的实时掌控，同时又可以thesurgeonandtherobotseamlessly．Moreover，把末端手术器械的受力状况反馈给医生。有研究将force—feedbacktechnologyisintroducedt

6、omake基于力传感器的协调控制策略引人颅颌面手术thesurgeon“feel”thecuttingforceduringopera—中]，手术中，末端执行器上的力传感器接收医生tion．作用力和环境反作用力，利用二者之差作为执行器的速度控制输入。但这种力一速度控制方式存在位Keywords：cooperativerobotics；virtualfix—tures；posturespace；trajectoryspace；forcefeed—置精度低、力反馈效果差的缺点。为此，在力反馈的基础上，设计

7、出符合颅一颌面骨科手术操作的虚拟back约束方法，实现了精度高、I临床感真实的医生一机器人协调操作。0引言1系统组成因其输出稳定、精准等特点，机器人辅助技术在1．1硬件组成骨科手术中得到了广泛应用，以帮助医生实现高难手术系统主要由3部分组成：机械臂本体、双目度动作及微创操作，如ROBODOC，ACRobot，导航仪及其三维导航软件、力反馈设备。机械臂本收稿日期：2011—11—21基金项目：国家自然科学基金资助项目(30801302)体具有7自由度，三维空间任意位姿的实现只需要·62·《机械与电子)2

8、012(5)基人6个自由度就能实现，多出的冗余自由度可以用于自由调整锯切速度。操作度优化或避障。导航仪为NDI双目红外导航已有的虚拟约束策略都不能满足这样复杂的使仪，空间位置精度土0．25mm，导航软件采用自主研用要求_6]，需要设计新的约束策略实现之。为此，发的高精度光学导航辅助颅一颌面骨畸形整复手术根据导航仪术前规划的手术路径，首先把手术器械软件系统(TbNavis—CMFS软件著作登记号：在笛卡尔空间内的实际运动分为位置运动D、姿态2006SR16