針對眼后節(jié)手術(shù)操作復(fù)雜度高、精確度要求高、手術(shù)過程動態(tài)且不確定性強的特點,本文開展了眼科顯微手術(shù)輔助機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究,主要面向機器人輔助眼科手術(shù)中的微創(chuàng)口對準、進入眼內(nèi)以及眼內(nèi)運動等典型操作過程,解決主從控制和協(xié)同控制的核心理論和技術(shù)問題,并通過仿真與實驗兩種途徑驗證了控制方法的有效性,實現(xiàn)了眼科顯微手術(shù)輔助機器人的精準操作。首先,本文進行了控制系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)眼科顯微手術(shù)輔助機器人的系統(tǒng)組成、主手和從手的結(jié)構(gòu),采用分布式運算與I/O連接的方式進行了分層式的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計,利用VS2017+Qt+Open Inventor的編譯環(huán)境對人機交互層中的人機交互界面與三維虛擬交互界面進行了設(shè)計。其次,在主從控制的研究中,在RCM機構(gòu)運動學(xué)的基礎(chǔ)上提出了位姿分離式的分組控制策略,研究了主從異構(gòu)的位置增量式主從控制方法。在從手運動規(guī)劃中,利用三次多項式保證關(guān)節(jié)位移與速度的連續(xù)性,基于帶限線性傅里葉擬合算法設(shè)計了主手的抖動濾波算法,配合主從比例映射與直線運動識別方法,實現(xiàn)對從手的精準控制。最后對主從控制的安全機制進行了研究。再次,在協(xié)同控制的研究中,基于導(dǎo)納控制的基本原理,設(shè)計了基于力... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

SMOS眼科顯微手術(shù)機器人[8]

基于之前的研究成果,約翰霍普金斯大學(xué)的研究者們在手術(shù)鉤的基礎(chǔ)上設(shè)計了雙剛度力傳感器視網(wǎng)膜靜脈插管工具,通過三段式的FBG力傳感器布置,既能夠檢測鞏膜處的橫向力,又能夠檢測工具在眼內(nèi)的插入深度[16],如圖1-4 a)所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人所的Zhang在訪學(xué)中提出在視網(wǎng)膜靜脈插管時引入預(yù)應(yīng)力,結(jié)合導(dǎo)納控制使執(zhí)行器保持在血管當中[17];北京航天航空大學(xué)的He在訪學(xué)中利用FBG力傳感器獲取到的交互力訓(xùn)練了遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),預(yù)測未來500ms內(nèi)的鞏膜力是否處于安全狀態(tài)[18]。Ebrahimi等設(shè)計了面向鞏膜力和插入深度的自適應(yīng)控制算法,當鞏膜力或插入深度達到閾值時,自適應(yīng)控制算法被觸發(fā),將自動糾正鞏膜力或插入深度,使執(zhí)行器完成期望的安全軌跡[19]。此外,約翰霍普金斯大學(xué)的研究者們將手持式視網(wǎng)膜靜脈注射執(zhí)行器Micron與協(xié)同控制的眼科顯微手術(shù)機器人SHER結(jié)合在了一起,如圖1-4 b)所示。其中,Micron是一個1mm×1mm×0.5mm的三自由度微執(zhí)行器,能夠根據(jù)手柄處的傳感器信息,激活三個壓電驅(qū)動器消除手部的抖動。利用穿刺檢測算法[21]與位置保持算法[22],Micron檢測到對視網(wǎng)膜靜脈的穿刺操作后,能夠?qū)⒆⑺幤鞅３衷谘苤�。圖1-4約翰霍普金斯大學(xué)視網(wǎng)膜手術(shù)輔助機器人后續(xù)進展[16,21-22]

圖1-3約翰霍普金斯大學(xué)視網(wǎng)膜手術(shù)輔助機器人[13-15]魯汶大學(xué)的研究者們開發(fā)了一種主從控制式視網(wǎng)膜手術(shù)系統(tǒng),提供了運動縮放、震顫補償和力反饋功能。如圖1-5 a)和1-5 b)所示,從手尺寸約為27cm×37cm×20cm,包含滾轉(zhuǎn)角φ,俯仰角θ,旋轉(zhuǎn)角ψ以及進給R四個自由度,其中滾轉(zhuǎn)角φ和進給R分別通過電機1和電機4控制,俯仰角θ和旋轉(zhuǎn)角ψ通過電機2和電機3共同控制;主手尺寸約為27cm×27cm×20cm,俯仰角θ和旋轉(zhuǎn)角ψ分別通過電機1和電機4控制,進給R和滾轉(zhuǎn)角φ通過電機2和電機3共同控制[23]。之后,Gijbels等設(shè)計了打靶實驗驗證機器人系統(tǒng)的定位精度,如圖1-5 c)所示。眼球模型主要由實驗板支架和測試板構(gòu)成。其中,實驗板支架通過互相垂直的α和β軸模仿眼球的旋轉(zhuǎn);測試板上設(shè)置針尖起始位置和目標位置,并設(shè)定在目標位置的停留時間超過2s才為成功[26]。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]控制系統(tǒng)測試仿真軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 蔣吉兵.電子科技大學(xué) 2013



本文編號：3269307