【摘要】：遙操作手術(shù)應(yīng)用讓遠(yuǎn)程的醫(yī)療服務(wù)提供者評(píng)估、診斷、治療和后續(xù)護(hù)理遠(yuǎn)程病人成為可能,能夠成功地提高醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量。將網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)應(yīng)用于遙操作手術(shù)中,人們構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)的主從遙操作手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),但是基于網(wǎng)絡(luò)的主從遙操作手術(shù)機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中也面臨著一些問(wèn)題。首先,現(xiàn)有的主操作手價(jià)格昂貴、操作空間小等問(wèn)題,很少有針對(duì)某一項(xiàng)手術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的專(zhuān)科型主操作手,使得醫(yī)生無(wú)法根據(jù)自身的工作需要進(jìn)行合適的調(diào)節(jié),長(zhǎng)時(shí)間的操作就會(huì)產(chǎn)生不適感,從而限制了已有的力反饋型主操作手的應(yīng)用。其次,遙操作手術(shù)過(guò)程中主從之間的通訊時(shí)延對(duì)遙操作有重要影響,出于遙操作醫(yī)療手術(shù)工作的安全保障,通訊過(guò)程中的時(shí)延問(wèn)題必須要考慮。針對(duì)骨科復(fù)位過(guò)程中醫(yī)生的動(dòng)作要求和骨科復(fù)位機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn),研制了面向骨科復(fù)位手術(shù)的專(zhuān)科型力反饋主操作手。確定了主操作手構(gòu)型,該主操作手由具有三維力反饋能力的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和能獲取轉(zhuǎn)角信息的串聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。在工作空間內(nèi)對(duì)主操作手并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度優(yōu)化。力反饋主操作手在為操作者提供力覺(jué)信息的過(guò)程中,首要解決的是主操作手自身的靜力平衡問(wèn)題。由于醫(yī)生在對(duì)主操作手操作過(guò)程中受到機(jī)構(gòu)自身重力的影響,從而使人手產(chǎn)生疲勞,這必然會(huì)影響到操作的體驗(yàn)性和力反饋性能。本文給出了基于靜力學(xué)下主操作手力反饋數(shù)學(xué)模型,獲得了關(guān)節(jié)電機(jī)輸出力矩與主操作手末端所感受到力之間的映射關(guān)系,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型誤差進(jìn)行了補(bǔ)償,為重力補(bǔ)償和力反饋的實(shí)現(xiàn)提供了有效的控制方法。為了提高主操作手的實(shí)時(shí)性,對(duì)主端力反饋主操作手的自身時(shí)延展開(kāi)研究。采用多線(xiàn)程、多事件技術(shù)降低算法耗時(shí)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)的時(shí)延分析,在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延存在且假設(shè)時(shí)延范圍確定的情況下,結(jié)合H∞魯棒控制方法將時(shí)延等價(jià)為干擾,利用μ綜合的技術(shù)將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為H∞控制的標(biāo)準(zhǔn)形式,采用H∞混合靈敏度加權(quán)函數(shù)設(shè)計(jì)方法,把網(wǎng)絡(luò)時(shí)延規(guī)范到H∞魯棒控制方法可以解決的范圍內(nèi),解決Internet傳輸環(huán)境帶來(lái)的時(shí)延問(wèn)題。針對(duì)魯棒控制器設(shè)計(jì)中混合靈敏度加權(quán)函數(shù)的選取大多依賴(lài)于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題,采用約束的人工免疫算法,對(duì)加權(quán)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,從而避免了傳統(tǒng)的試湊方法獲取加權(quán)函數(shù)帶來(lái)的不足。采用自主研制的力反饋主操作手作為遙操作系統(tǒng)的主端力反饋設(shè)備,從端結(jié)合骨科復(fù)位機(jī)器人,搭建了遙操作骨科復(fù)位手術(shù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了遙操作系統(tǒng)在自由狀態(tài)下復(fù)位機(jī)器人對(duì)主操作手的位置跟隨性能和受限狀態(tài)下力反饋性能。最后完成了遙操作長(zhǎng)骨復(fù)位手術(shù)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制器能夠在時(shí)延發(fā)生且最大值不超過(guò)2秒的情況下保證主從系統(tǒng)較好的穩(wěn)定性,復(fù)位結(jié)果達(dá)到了骨科復(fù)位手術(shù)的醫(yī)療評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP242


本文編號(hào)：2764999