具有主动约束的医疗机器人系统的主从控制.pdf

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1、具有主动约束的医疗机器人系统的主从控制张忠林，陈以，黄小波(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004)摘要：在分析了穿刺手术机器人系统功能需求的基础上，搭建了主从遥操作系统的半实物仿真平台。在主从控制的基础上，提出一个利用虚拟夹具VF(VirtualFixture)算法结合Proxy的方法的主动约束控制策略。实验结果表明，系统能够在给定运动约束的情况下完成相应的主从控制。关键词：穿刺手术机器人；主从控制；虚拟夹具；Proxy中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：0258—7998(2O14)0

2、8一O072—04Master-slavecontrolofmedicalroboticsystemwithactiveconstraintZhangZhonglin，ChenYi，HuangXiaobofSchoolofElectronicEngineeringandAutomation，GuilinUniversityofElectronicTechnology，Guillin541004，China)Abstract：Inthispaperasemi—physicalsimulationplatformofrob

3、otteleoperationsystemisdesigned．Basedonamaster—slavecontrolanactiveconstraintcontrolstrategyusingvirtualfixtureandaproxyisproposed．Theresultsofsemi—physicalsimu—lationvalidatedthatthemaster——slavecontroliscompletedpreciselyundersomemotionconstraintsappliedonmast

4、er．Keywords：puncturesurgeryrobot；master-slavecontrol；virtualfixture；Proxy遥操作穿刺手术是通过专用手术器械插入患者体三关节采用三轴交汇于一点，用于控制机器人姿态坐标。内，并在医学图像的引导下，对患者体内的病灶进行手从机器人作为手术系统的执行部分负责完成手术术操作的外科手术。穿刺手术具有创伤小、痛苦小、康复操作，拥有6DOF，且都是旋转关节，前三个关节配合实快、术后并发症少等优点，是当前主要发达国家竞相研现末端定位；后三个关节采用三轴交汇的形式实现末

5、端究的医学领域之一l11。目前已有很多较为成熟的医疗遥姿态的调整。操作系统，如美国的ComputerMotion公司研发的AESOP2虚拟夹具算法腹腔镜操作机器人121、Zeus微创手术机器人系统[31以及VF是一种基于软件的主动约束模型，通过产生的IntuitiveSurgical公司研发的DaVinci微创手术机器人虚拟力来限制机器人朝禁止区域运动或引导机器人沿系统140等具有代表性的医疗遥操作系统。它们不仅为医理想路径运动[6-81。VF一般分为引导型VF(guidancevir-生提供了先进的视觉反馈，而且让手

6、术医生拥有了更加tualfixture，GVF)和禁止型VF(forbiddenvirtualfixture，灵活的操作方式，使得手术过程变得相对简单和容易完FRVF)，本文主要研究在主手端的线型和面型VF。成，在医疗手术机器人领域具有革命性的意义。2．1线型VF本文主要在遥操作系统已有主从控制的基础上，针在线型VF算法计算中，首先需要计算机器人末端对施加在主机器人的主动约束进行了相关半实物仿真目标位置与实际位置的偏差，表示为：研究，从而能够实现主从控制中的虚拟向导功能，并获蜀一X0=(Xm—X0)·v(1)得较好的控

7、制精度、响应速度和安全性。其中，表示主手末端目标位置，Xd=Ix，ya，zXo表示理想直线的初始点，Xo=『‰，Yo，z。]；表示理想直线的单位1主从机器人构型方向向量；表示主手末端实际位置，=Ix，ym，r。本文系统采用主从式控制结构，外科医生通过操纵偏差计算矢量图如图l所示。根据向量运算法则，主机器人f主手)来实现对从机器人(从手)的控制，从而由式(1)可得主手位置偏差公式：完成相关手术任务。本系统的主手采用SensAble公司生产的PhantomOmni15I，具有6自由度fDOF)，所有关节均：一：X0+I犁I

8、(2)为旋转关节，前三个关节控制机器人末端位置坐标，后然后，再利用VF算法来计算虚拟向导力，此虚拟向／2欢迎网上投稿www．chinaaet．com《电子技术应用》2014年第40卷第8期量1，平面左侧为机器人工作空间下的自由径运动区域，平面右侧为工作空间下的禁止(a)基于线型VF的位置偏差(b)输入力的合成图1偏差计算矢量图导力