本文關(guān)鍵詞：骨科機器人人機協(xié)同交互方法研究及控制系統(tǒng)實現(xiàn)

  更多相關(guān)文章： 人機協(xié)同交互 導(dǎo)納控制 虛擬夾具 骨科機器人 實時控制

【摘要】：因機器人輔助的外科手術(shù)可以改善醫(yī)生工效,提高病人福祉等優(yōu)勢,自1985年第一例機器人輔助手術(shù)開始,得到了醫(yī)院醫(yī)生、醫(yī)療機構(gòu)、機器人研究者及產(chǎn)業(yè)界的極大支持和推動,成為生物醫(yī)學工程和機器人研發(fā)的熱點領(lǐng)域。但復(fù)雜系統(tǒng)的引入,也同時對醫(yī)生技能和醫(yī)療機器人系統(tǒng)研發(fā)都提出了更多的挑戰(zhàn)。研究表明,目前機器人應(yīng)用是作為醫(yī)生作業(yè)的智能工具被引入醫(yī)療領(lǐng)域的,因而人-機器人協(xié)同交互問題成為限制醫(yī)療機器人進入醫(yī)療領(lǐng)域的一個障礙�；诖�,針對骨科手術(shù)應(yīng)用需求,課題組自主設(shè)計了輕量化人機協(xié)同交互式骨科機器人。目標是使機器人能夠輔助醫(yī)生在手術(shù)規(guī)劃監(jiān)控以及路徑引導(dǎo)、虛擬夾具等限制下,共同完成骨科手術(shù),讓醫(yī)生感覺機器人是在其安全保障下的自由操作手術(shù)工具。本文首先針對已經(jīng)設(shè)計的輕量型六自由度機械臂進行系統(tǒng)建模分析,為骨科手術(shù)人機協(xié)同方法和控制實現(xiàn)提供運動學基礎(chǔ)。主要進行了基于D-H矩陣的機器人建模,完成正逆運動學的求解,并通過求解雅克比矩陣進行速度變換,獲得機器人末端位置、速度與關(guān)節(jié)角度、速度的變換關(guān)系。在運動分析的基礎(chǔ)上利用蒙特卡洛法繪制機器人的工作空間,并通過比較雅克比矩陣條件數(shù)的大小來檢索工作空間內(nèi)的奇異位置點。在此基礎(chǔ)上,采用基于速度控制的導(dǎo)納控制方法及基于虛擬夾具技術(shù)的安全策略實現(xiàn)人機協(xié)同交互方法的研究。建立了基于導(dǎo)納控制的三級導(dǎo)納增益參數(shù)模型,以提升控制系統(tǒng)整體的速度變化和交互性能。針對骨科手術(shù)特點,建立了引導(dǎo)型和禁止型虛擬夾具模型,完成了基于虛擬夾具的手術(shù)安全策略和建模方法研究。再次,針對人機協(xié)同交互實現(xiàn)時運算復(fù)雜且對實時性要求高的特征,采用基于Twin CAT的實時控制系統(tǒng)軟件和基于高速工業(yè)以太網(wǎng)Ether CAT總線通信的軟硬件控制方案,并進行了實現(xiàn)。利用VC完成控制操作界面、實時顯示、運動學算法、協(xié)同交互運動和傳感器集成算法等的開發(fā)。完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、選型,實現(xiàn)、裝配、調(diào)試,并進行機器人精度標定實驗。最后,搭建人機協(xié)同交互驗證平臺。首先進行控制系統(tǒng)軟硬件和運動控制功能測試,驗證系統(tǒng)各個部分的可靠性。利用人機交互研究中的導(dǎo)納控制算法、虛擬夾具建模方法完成了針對骨科手術(shù)特點的引導(dǎo)、定位和避障的一系列實驗,包括目標點定位、曲線跟蹤引導(dǎo)和主被動偏離實驗,并進行了基于關(guān)節(jié)置換的骨科模型模擬實驗,實驗結(jié)果表明,本文建立的基于導(dǎo)納控制和虛擬夾具的人機協(xié)同控制方法具有較好的控制效果。
【關(guān)鍵詞】：人機協(xié)同交互 導(dǎo)納控制 虛擬夾具 骨科機器人 實時控制
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242;R61
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 課題背景及研究意義10-11
• 1.2 人機協(xié)同交互方法醫(yī)療機器人研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 人機協(xié)同控制研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 虛擬夾具（Virtual Fixture）技術(shù)的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述16-17
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容17-19
• 第2章 機器人系統(tǒng)建模19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 機器人運動學基礎(chǔ)19-24
• 2.2.1 DH參數(shù)建模19-20
• 2.2.2 運動學求解20-22
• 2.2.3 雅克比矩陣求解與速度變換22-24
• 2.3 工作空間及奇異性分析24-28
• 2.3.1 工作空間分析25-26
• 2.3.2 奇異性分析26-28
• 2.4 運動學仿真分析28-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第3章 人機器人協(xié)同交互方法研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 人機協(xié)同交互基本原理30-31
• 3.3 基于導(dǎo)納控制的人機協(xié)同控制方法研究31-32
• 3.3.1 導(dǎo)納控制的基本原理31-32
• 3.3.2 導(dǎo)納增益參數(shù)研究32
• 3.4 基于虛擬夾具的手術(shù)安全策略32-43
• 3.4.1 引導(dǎo)型虛擬夾具設(shè)計33-42
• 3.4.2 禁止型虛擬夾具設(shè)計42-43
• 3.5 本章小結(jié)43-44
• 第4章 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計44-46
• 4.2.1 控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)及選型設(shè)計44-45
• 4.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計方案45-46
• 4.3 控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)46-52
• 4.3.1 基于Twin CAT的控制器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計47-48
• 4.3.2 底層運動控制功能開發(fā)及編程實現(xiàn)48-50
• 4.3.3 機器人控制界面、運動學和交互算法實現(xiàn)50-52
• 4.3.4 基于Twin CAT3的運動與驅(qū)動控制配置52
• 4.4 機器人裝配與調(diào)試52-53
• 4.5 機器人標定與精度測量53-57
• 4.5.1 基于MDH方法的機器人運動學標定54-56
• 4.5.2 機器人重復(fù)定位精度測量56-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 第5章 骨科機器人人機協(xié)同交互方法驗證實驗58-75
• 5.1 引言58
• 5.2 實驗平臺搭建58-59
• 5.3 引導(dǎo)型人機協(xié)同交互方法實驗59-71
• 5.3.1 平面軌跡跟蹤與目標點定位實驗59-64
• 5.3.2 主動路徑偏離避障實驗64-66
• 5.3.3 立體軌跡跟蹤與目標點定位實驗66-71
• 5.4 禁止區(qū)域被動偏離實驗71-72
• 5.5 骨科模型模擬實驗72-74
• 5.6 本章小結(jié)74-75
• 結(jié)論75-76
• 參考文獻76-81
• 致謝81

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本文編號：1129898