機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)（RMIS）技術(shù)能夠顯著提高外科醫(yī)生對手術(shù)的執(zhí)行能力.然而,現(xiàn)有的機(jī)器人主從遙操作模式下所存在的不足之處（如手眼協(xié)調(diào)性差、可視空間狹窄、力反饋信息的缺失等）容易導(dǎo)致醫(yī)生產(chǎn)生過度操作而引起機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的碰撞干涉（包括機(jī)械臂之間的碰撞干涉及內(nèi)窺鏡桿與手術(shù)器械桿的碰撞干涉）和手術(shù)器械末端脫離手術(shù)視野,由此帶來的安全性問題不容忽視.本文提出了一種基于虛擬夾具的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)約束方法,以"MicroHand S"機(jī)器人系統(tǒng)作為應(yīng)用平臺(tái),在進(jìn)行機(jī)械臂構(gòu)型及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上,針對上述問題展開研究,通過構(gòu)建碰撞干涉檢測模型實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間及機(jī)器人與環(huán)境物體之間的相對距離,并設(shè)置相應(yīng)的安全預(yù)警區(qū)域,采用人工勢場與虛擬代理點(diǎn)相結(jié)合的方式對機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間加以限制,從而達(dá)到對醫(yī)生的操作動(dòng)作進(jìn)行合理的引導(dǎo)與約束,提高手術(shù)效率與操作安全性的目的.該方法無需構(gòu)建復(fù)雜的幾何模型,虛擬夾具的定義方便快捷,對于其他主從操作模式下的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)及類似的人機(jī)交互環(huán)境具有普適意義.最終的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在有、無虛擬夾具兩種操作環(huán)境下,實(shí)驗(yàn)參與人員的表現(xiàn)有... 

【文章來源】：天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2020,53(04)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

“MicroHand S”系統(tǒng)機(jī)械臂構(gòu)型及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

確定碰撞發(fā)生區(qū)域后，首先需要實(shí)時(shí)監(jiān)測手術(shù)過程中器械臂與持鏡臂之間的最小距離，這可轉(zhuǎn)化為求解兩個(gè)凸面體之間最短距離的問題．包圍盒算法是一種常用來進(jìn)行碰撞干涉檢測的方法，其基本思想是利用體積稍大且特性簡單的幾何體(稱為包圍盒)來近似地代替復(fù)雜的幾何對象．常見的包圍盒算法有AABB(aixe align bounding box)包圍盒、包圍球、OBB(oriented bounding box)包圍盒以及固定方向凸包FDH.一個(gè)物體的OBB包圍盒可定義為包含該對象且相對于坐標(biāo)軸方向任意的六面體．與AABB包圍盒及包圍球相比，OBB包圍盒的最大特點(diǎn)是其方向的任意性，這使得其可以根據(jù)被包裹對象的形狀特征盡可能緊密地包圍對象以提高碰撞精度，同時(shí)又避免了FDH復(fù)雜的求交運(yùn)算，尤其適用于形狀簡單、手術(shù)過程中需要不斷變換位姿且碰撞類型為剛體碰撞的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)．在三維空間中，OBB包圍盒可由中心點(diǎn)位置向量C，半邊長l1、l2、l3和相互垂直的單位向量v1、v2、v3來表示，即

對OBB包圍盒進(jìn)行的碰撞檢測通�；诜蛛x軸理論，即如果存在一個(gè)平面P使得空間中互不相交的兩個(gè)幾何體分別位于該平面兩側(cè)，則必存在一條垂直于該平面的直線L(分離軸)，使得這兩個(gè)幾何體在該直線上投影半徑之和小于兩者中心連線長度在該直線上的投影長度(如圖3所示)，可表示為算法首先確定OBB包圍盒的15個(gè)分離軸，分別是包圍盒A與B各自坐標(biāo)系的6個(gè)坐標(biāo)軸，以及其中一個(gè)包圍盒的3個(gè)坐標(biāo)軸與另一個(gè)包圍盒的3個(gè)坐標(biāo)軸兩兩叉乘得到的9個(gè)向量所確定的軸．通過將OBB包圍盒分別投影至15個(gè)分離軸上，當(dāng)且僅當(dāng)在所有分離軸上式(8)均成立，才可斷定兩凸面體之間未發(fā)生碰撞干涉．

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)用于機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃方法[J]. 梁科,王樹新,劉瑞達(dá),李建民.  天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2019(09)
[2]雙臂機(jī)器人自碰撞檢測及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[J]. 吳長征,岳義,韋寶琛,劉殿富.  上海交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2018(01)
[3]緊湊型微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 孔康,王樹新,張淮鋒,李建民.  天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2017(11)

博士論文
[1]微創(chuàng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與主從映射策略研究[D]. 李建民.天津大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3335521