1、基于外科手术的基于外科手术的机器人控制机器人控制小组成员：周瞳 谢卫云 苏培权 目录目录l机器人外科手术简介1.研究意义2.发展状况l机器人结构及控制系统1.总体结构2.主从控制系统3.力反馈系统机器人外科手术简介机器人外科手术简介l传统外科手术定位精度不高术者疲劳、动作颤抖受空间及环境约束大缺乏三维医学图像导航手术器械操作局限性位姿受手术环境影响l外科手术机器人准确定位动作灵巧、稳定减轻术者疲劳信息反馈直观（三维图）术前快速手术设计避免辐射、感染的影响灭菌简单1.微创手术和传统手术伤口的比较微创手术和传统手术伤口的比较为什么需要手术机器人：为什么需要手术机器人：所以采用机器人手术具有创口小，
2、疤痕小、疼痛轻、恢复快、出院时间短，所以采用机器人手术具有创口小，疤痕小、疼痛轻、恢复快、出院时间短，出血少等优点出血少等优点2.手术机器人比人工手术更加精细化手术机器人比人工手术更加精细化机器人外科手术简介机器人外科手术简介发展历史1985年，美国，自主定位的立体定向装置完成脑组织活检 1989年，英国，6自由度Puma机器人，开展前列腺手术切除术 1994年，Computer motion公司于研发了内镜光学定位外科机器人系统“AESOP” 1999年初，由两家美国公司(Computer Motion和Intuitive Surgical)先后独立研制的宙斯(Zeus)和达芬奇(Da Vi
3、nci)两套手术机器人系统2001年，法国远程Zeus机器人开创了远程手术的先河 机器人外科手术简介机器人外科手术简介 至今为止，达芬奇(Da Vinci)手术机器人不断的更新换代仍是世界手术机器人最高水平的代表达芬奇机器人器件达芬奇机器人系统机器人外科手术简介机器人外科手术简介达芬奇机器人手术系统的构成 ：医生操控台医生操控台旁床机械臂旁床机械臂 3D成像系统成像系统外科医生控制台外科医生控制台外科医生控制台是达芬奇机器人系统的控制中心，由计算机系统、监视器、控制手柄、脚踏控制板及输出设备组成。外科医生控制台的操作者坐在消毒区域以外，通过使用控制手柄来控制手术器械和立体腔镜。术者通过双手动作
4、传动手术台车上仿真机械臂完成各种操作，从而达到术者的手在患者体内做手术的效果。同时可通过声控、手控或踏板控制腹腔镜。术者双脚置于脚踏控制板上配合完成电切、电凝等相关操作。达芬奇机器人系统让术者在微创的环境里可以达到开放手术的灵活性床旁机械臂系统床旁机械臂系统床旁机械臂系统(Patient Cart)是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作，负责更换器械和内窥镜，协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全，助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高优先控制权成像系统成像系统成像系统(Video Cart)内装有外科手术机器人的
5、核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维(3D)镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认解剖结构，提升了手术精确度。机器人外科手术简介机器人外科手术简介中国发展状况1997年，研制了基于Puma262的脑外科机器人辅助定位系统，填补了国内医用机器人研究的空白2000年，海军总医院研制了计算机辅助立体定位神经外科手术系统 2010年，由天津大学、南开大学和天津医科大学总医院联合研制的“妙手”系统 图1 妙手
6、A机器人外科手术简介机器人外科手术简介达芬奇(Da Vinci)手术机器人视频演示以下画面可能会引起不适请谨慎观看 机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统主从控制系统总体结构主从式医疗机器人由早期的主从同构方式发展成为现在的主从异构方式。异构机器人的实时主从控制必须在很短时间内完成运动求解、轨迹规划、抖动消除等计算。手术机器人主从控制系统的三个主要问题：手术机器人主从控制系统的三个主要问题：l1. 从手需要快速准确地跟踪主手运动，并将在手术区域所接受到的一些信息( 如视频图像信息)通过通讯环节反馈给操作医生。l2. 手术过程中，主操作手上的医生会不可避免地产生手部抖动，这些无关抖动会造成手术
7、器械末端的抖动，从而影响精度，所以必须消除抖动。l3. 主从控制中，经过运动学反解得到从手关节轨迹速度和加速度不连续，导致机器人运动不平稳，为避免此问题，需要在关节空间内规划机器人运动轨迹，得到连续平滑的轨迹。机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统基于腹腔微创手术的主从手关节结构配置方案 主手控制系统主手控制系统Force Dimension Omega 7Omega 7 的操作演示机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统主从控制系统手术机器人主从控制结构机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统控制系统硬件结构手术机器人控制系统硬件结构机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统等效微分变换法的
8、主从控制：操作臂的运动方程表示为 （1）式中q为关节角度，x为操作臂末端在笛卡尔空间的坐标。对式(1)在定点处进行泰勒展开得到x和工作空间的角度增量q的关系为：对式（3）两边同时左乘逆雅克比矩阵J（q），得逆运动求解公式：根据式(4)，可以计算出工具坐标系发生差分变化所需要的机械手关节的差分变化。但是，等效微分变换法求解逆运动学时因为忽略了高阶误差，而将误差带入到了控制系统，由(3)式可得：取操作臂工作空间中任意一点为中心(定点(-2.66mm,-15.08mm,765.7mm)，在其周围2mm*2mm范围内计算跟随误差，结果如图5。机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统
9、机器人结构及控制系统轨迹规划本文选择在关节空间内规划机器人的运动轨迹，得到连续平滑的轨迹。对通过运动学反解得到的每两个关节路径点实时进行一次插值运算，三次样条函数具有速度、加速度连续，计算量小和易于实现等优点，被选作插补函数其具体算法如下所述机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统轨迹规划以手术机器人的一个关节为例，根据从手的逆运动学，求得关节轨迹上的两个离散点 和该段样条函数为：由已知条件得：机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统为了保证某段样条曲线和下一段样条曲线连接点处的速度连续，采取预处理的速度规划策略，使边界点的速度等于边界点前后两段各自平均速度的中途速度，即：于是该段样条曲线首末
10、两点的速度为：由(7)(8)(9)(10)得到轨迹曲线表达式S(t)，再对S(t)离散采样得到离散路径点。机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统消除抖动本文采用统计学的方法设计数字滤波器进行抖动滤波，通过滑动平均算法降低甚至消除从手无关抖动先对主手采样数据进行一次抖动滤波，再对从手关节角度数据进行二次抖动滤波。以一次抖动为例，对采样得到的每一个离散点，Pk(tk,sk),用(12)式计算，并用计算的结果Pk(tk,sk)代替Pk(tk,sk)仿真和实验仿真和实验4.1反馈消除误差仿真: 为了验证该方法的有效性，对使用了误差反馈和不使用误差反馈的两种方法做了对比实验。图7为机器人从手跟随主手运
11、动的空间误差。从结果可以看出，使用反馈后等效微分变换法产生的高阶误差被明显消除。4.2 轨迹规划仿真以关节5位例，图8为从手跟随主手运动经过逆运动学求解得到的关节5的关节轨迹。从图可以看出关节的运动特性得到明显的改善。机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统力反馈系统助力反馈是力反馈实现的前提临场力反馈是力反馈实现的目的反馈力是力反馈实现的“方法”机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统助力反馈是力反馈实现的前提医生手部需要克服因为遥操作机械手的动力学性能所产生的阻力。该阻力感觉并不是期望反馈到医生手部的力感觉，控制系统应该施加助力来消除。通过逆动力学的模型运算，实现无阻力操作。机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统临场力反馈是力反馈实现的目的手术微器械与腹腔内组织触碰并产生临场力，通过静力学模型运算，可以得到要在遥操作机械手末端输出该临场力所需要的各关节的临场力驱动力矩输出控制量。机器人结构及控制系统机器人结构及控制系统反馈力是力反馈实现的“方法”遥操作机械手各关节需要输出的反馈力驱动力矩(f)包括两部分：一部分是助力驱动力矩(f1)，使遥操作机械手系统处于稳定平衡状态，另一部分是临场力驱动力矩(f2)，在遥操作机械手末端输出期望医生手部感受到的临场力。遥操作机械手力反馈功能就是通过在各关节上输出反馈力力矩f来实现的。Thank you
