检索结果-内蒙古大学图书馆

高技术通讯 2010年第5期20卷 499-504页

作者：付宜利颜增翼刘浩哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150080

研究了由骨架弹簧和形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧组成的柔性导管机器人的动态特性。基于导管力学模型、SMA的本构和传热方程,系统地提出了一套完整的建模方法。由于SMA具有滞回和饱和等强非线性属性,传统的比例积分微分(PID)控制方法用于... 详细信息

研究了由骨架弹簧和形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧组成的柔性导管机器人的动态特性。基于导管力学模型、SMA的本构和传热方程,系统地提出了一套完整的建模方法。由于SMA具有滞回和饱和等强非线性属性,传统的比例积分微分(PID)控制方法用于导管机器人中很难获得精确的控制效果,因此针对性地设计了参数自整定模糊PID控制器。仿真结果验证了模型的正确性,并显示出模糊PID对这种结构具有良好的控制效果。这种建模和控制方法,为单个SMA弹簧驱动导管机器人的实际应用和多驱动器的导管机器人的控制研究奠定了基础。

关键词：形状记忆合金(SMA) 导管机器人弯曲角度滞回非线性模糊PID

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两自由度导管机器人的动力学仿真研究

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高技术通讯 2010年第6期20卷 602-607页

作者：付宜利刘浩颜增翼王树国哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150080

对三形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧驱动的导管机器人的动态特性进行了研究。首先基于综合力学方程、SMA的本构方程和传热方程建立了动力学模型,然后针对双输入双输出(TITO)系统的2个自由度间存在强耦合和因SMA的高度非线性使得难以采用解... 详细信息

对三形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧驱动的导管机器人的动态特性进行了研究。首先基于综合力学方程、SMA的本构方程和传热方程建立了动力学模型,然后针对双输入双输出(TITO)系统的2个自由度间存在强耦合和因SMA的高度非线性使得难以采用解耦实现对相邻SMA驱动器控制的现象,设计了具有混合结构的模糊控制器。它用传统的模糊控制器控制系统的2个自由度,同时用耦合模糊控制器补偿2个自由度之间的耦合作用。仿真结果表明,所推导的动力学模型能够正确描述这种结构的特性,并且混合模糊控制器具有良好的控制效果。

关键词：形状记忆合金(SMA) 导管机器人 TTTO系统混合模糊控制器

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主从控制式导管机器人系统设计与安全机制研究

主从控制式导管机器人系统设计与安全机制研究

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作者：白东明南京航空航天大学

学位级别：博士

现有的血管内微创介入手术系统存在以下问题:导管通用性差,面对差异化手术任务,通常需要较多的导管型号;对医师的操作水平要求较高,操控难度大;缺乏力/触觉等感知与反馈功能,无法保证手术的安全性和可靠性。为改善介入手术环境,减轻医... 详细信息

现有的血管内微创介入手术系统存在以下问题:导管通用性差,面对差异化手术任务,通常需要较多的导管型号;对医师的操作水平要求较高,操控难度大;缺乏力/触觉等感知与反馈功能,无法保证手术的安全性和可靠性。为改善介入手术环境,减轻医生的劳动强度,提高手术质量和效率,保证手术的安全性和可靠性,本文设计了一种主从操作式的导管机器人系统,并对其安全机制展开研究。该系统可以根据不同患者差异化的血管特点,优选出最为安全的导管构型方案,以降低术中意外损伤发生的可能,同时向医生提供振动触觉引导,确保导管机器人在插管操作过程中沿安全路径运动,减小与血管壁的可能接触;导管在与组织发生接触时,则通过力检测与反馈技术辅助医生实施安全避障操作;到达手术区域后进行诊疗操作时,则通过柔顺控制限制导管与组织之间接触力,确保手术安全。论文首先对导管机器人系统的设计需求进行了分析,由此确定导管机器人系统方案,并对系统各组成部件进行了方案设计;结合介入手术对导管机器人在不同操作时段的人机交互安全性的要求,分别对系统术前安全路径规划阶段、在线实时安全轨迹引导阶段、实时安全避障阶段与柔顺控制阶段的安全策略、安全指数计算方式与安全实现方法进行了研究。针对术前安全路径规划阶段,本文提出一种面向任务的导管机器人结构与模型重构方案。对导管机器人进行模块化设计,建立了单节弯曲单元和导管机器人的运动学模型;提出一种血管中心线快速提取与描述方法,基于血管中心线数据,以安全指数为优选条件,采用逆推迭代方式从血管中心线终点逐节确定弯曲单元规格,最终确定满足介入手术安全要求的导管机器人重构方案。针对术中实时推送引导,提出一种基于振动触觉的引导方法。建立主手工作空间的振动势场,设计了一种可穿戴的振动触觉手套,通过向操作者提供不同位置、强度的振动刺激,引导其主手操作,进而实现对导管机器人末端位置的安全引导。针对到达手术目标区域后的安全避障与柔顺控制问题,提出了一种无传感器的导管机器人接触力矩估计与反馈方法。根据导管机器人驱动单元输出位移和力矩,结合运动学与准稳态力学模型,对导管与人体组织接触状态进行检测与估计,进而基于模糊推理原则,将估计得到的各节弯曲单元接触力矩进行融合并反馈,为导管机器人避障操作和柔顺控制奠定基础。针对介入手术操作柔顺控制,对人体主动脉血管组织生物力学特性进行分析,以猪心脏主动脉为样本进行血管拉伸实验,建立导管机器人弯曲单元与血管组织的接触模型,获得导管机器人与主动脉血管壁接触力矩的安全阈值,在此基础上,为保证导管机器人人机交互安全性,提出一种基于位置的柔顺控制策略,仿真分析不同阻抗参数对控制系统响应特性的影响。最后,搭建了导管机器人系统原理样机,对导管机器人各阶段安全机制实现方法进行实验验证。采用切面中心法提取血管模型的中心线,根据该中心线确定导管机器人重构方案,并对导管机器人运动性能进行实验研究;对振动引导与目视引导条件下导管机器人沿中心线的运动精度进行了对比实验,验证了本文提出的振动触觉引导方法的可行性与有效性;进行了振动引导避障实验,验证了导管机器人接触力检测与反馈方法和振动引导避障方法的可行性;进行了柔顺控制下的模拟触诊实验,验证了力柔顺控制方法的有效性。

关键词：导管机器人安全机制结构重构振动触觉引导无传感器力估计方法柔顺控制

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基于导管机器人的变论域模糊PID控制研究

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计算机应用研究 2018年第2期35卷 471-474,482页

作者：陈果刘金根韩世鹏武汉理工大学光纤传感技术与信息处理教育部重点实验室武汉430070 中国科学院深圳先进技术研究院中科院健康信息学重点实验室广东深圳518055

在微创血管介入手术中,当操作者通过主手给出期望位置后,要求导管机器人能够控制导管快速稳定并精确到达目标位置。但由于导管机器人的电机响应迟滞以及血管内的复杂环境因素,传统的模糊PID控制已经不能满足血管介入手术对导管机器人快... 详细信息

在微创血管介入手术中,当操作者通过主手给出期望位置后,要求导管机器人能够控制导管快速稳定并精确到达目标位置。但由于导管机器人的电机响应迟滞以及血管内的复杂环境因素,传统的模糊PID控制已经不能满足血管介入手术对导管机器人快速性、精确性、强鲁棒性的要求。通过对导管建模、导管机器人运动学、手术坐标空间变换分析,采用变论域模糊PID控制,并运用MATLAB进行仿真。仿真结果证明,所设计的变论域模糊PID控制器能够提高导管机器人的响应速度、定位精度与稳定性,为血管介入手术导管机器人的控制提供良好的理论依据。

关键词：介入手术导管机器人变论域模糊PID

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微创手术导管机器人系统变论域模糊PID控制

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计算机仿真 2015年第1期32卷 357-360,371页

作者：赵希梅任成一刘浩李洪谊沈阳工业大学电气工程学院辽宁沈阳110870 中国科学院沈阳自动化研究所辽宁沈阳110016

在微创血管手术导管机器人系统控制机器人送导管问题的研究中,为克服手动送管的缺陷,要求导管机器人系统能够快速响应、抗干扰能力强以及对目标轨迹的实时跟踪。传统模糊PID控制由于其精度与响应速度之间的矛盾,限制了在微创手术中的应... 详细信息

在微创血管手术导管机器人系统控制机器人送导管问题的研究中,为克服手动送管的缺陷,要求导管机器人系统能够快速响应、抗干扰能力强以及对目标轨迹的实时跟踪。传统模糊PID控制由于其精度与响应速度之间的矛盾,限制了在微创手术中的应用。提出采用变论域模糊PID控制,引入伸缩因子,在不降低响应速度的前提下改善模糊PID控制精度,进一步改善系统位置跟踪精度以及在主从微创手术中的实用性。仿真结果表明,所提出的变论域模糊PID控制对系统具有快速准确的跟踪性能和较强的鲁棒性能,证实了变论域模糊PID控制在主从微创手术中的优越性与实用性。

关键词：导管机器人主从控制变论域模糊控制位置跟踪

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形状记忆合金驱动导管机器人的运动控制研究

形状记忆合金驱动导管机器人的运动控制研究

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作者：颜增翼哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

传统的导管远端具有特殊的形状,在插管过程中不能改变。由于人体血管分支较多,这种导管对操作技术要求过高,而且容易引发错误和重复操作,增加对人体血管的损伤。目前,出现了多种能够在三维空间主动选择方向的导管机器人,其中形状记忆合... 详细信息

传统的导管远端具有特殊的形状,在插管过程中不能改变。由于人体血管分支较多,这种导管对操作技术要求过高,而且容易引发错误和重复操作,增加对人体血管的损伤。目前,出现了多种能够在三维空间主动选择方向的导管机器人,其中形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)驱动的导管机器人成功地进行了测试,但有关的研究主要集中在设计和加工工艺方面,本文对其动态特性进行了研究。建立了单SMA螺旋弹簧驱动和双SMA螺旋弹簧驱动导管机器人的动力学模型,并分别实现了对这两种导管机器人的运动控制。主要包括:单SMA驱动器和双SMA驱动器动力学建模、单SMA驱动导管机器人的PID和模糊PID控制、双SMA驱动导管机器人的双输入双输出(Two-input Two-output, TITO) PID控制与TITO模糊控制。在对机器人弯曲轴线进行圆弧假设的基础上,结合SMA的本构方程以及传热方程,建立了单SMA驱动导管机器人的动力学模型。通过仿真和实验对所推导的模型能否描述这种SMA驱动结构的特性进行了验证。对多驱动器驱动导管机器人的力学方程进行了推导,结合单SMA驱动导管机器人的模型,建立了双SMA驱动导管机器人的动力学模型,并通过仿真对其进行了验证。研究了单SMA驱动导管机器人的运动控制方法。针对系统方程高度耦合不能进行拉普拉斯变换获得传递函数以及SMA驱动器存在高度非线性的特点,分别采用了传统PID和参数自整定模糊PID控制方法,并对系统仿真结果进行了比较。PID控制器采用Z-N参数整定法获得PID控制器的各个控制参数,简单易行;模糊PID结合了PID和模糊控制的优点,通过模糊控制对PID的三个参数进行自整定调节。研究了双SMA驱动导管机器人的运动控制方法。针对系统的2个自由度存在强的耦合特性,分别采用了TITO PID和TITO模糊控制的方法,并对系统仿真结果进行了比较。对于TITO PID控制器,通过分析两个驱动器的电压与偏转角度之间存在的关系,提出了电压比例分配函数的概念,利用一个PI控制器对这种关系的不准确性进行补偿来实现控制;对于TITO模糊控制器,在总结传统模糊控制缺点的基础上,采用一个模糊PID控制器对弯曲角度进行控制,采用一个模糊控制器对偏转角度进行控制,同时采用一个解耦模糊控制器补偿系统的耦合来实现控制。

关键词：形状记忆合金导管机器人动力学模型模糊控制参数自整定模糊PID TITO系统

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绳驱动介入手术导管机器人系统研究

绳驱动介入手术导管机器人系统研究

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作者：张超南京航空航天大学

学位级别：硕士

介入手术导管机器人作为一种新型的医疗机器人,在医学技术和医疗设备不断进步的今天,得到了快速的发展。导管机器人的研究,解决了传统介入手术中存在的导管导丝可控性差、手术难度较高、手术效果不佳以及手术环境存在大量辐射等问题,实... 详细信息

介入手术导管机器人作为一种新型的医疗机器人,在医学技术和医疗设备不断进步的今天,得到了快速的发展。导管机器人的研究,解决了传统介入手术中存在的导管导丝可控性差、手术难度较高、手术效果不佳以及手术环境存在大量辐射等问题,实现了由机器人代替医生完成现场操作的远程手术模式。本文设计了一套完整的介入式导管手术机器人系统,系统由机械执行系统和主从控制系统两个部分组成。论文主要就结构设计、机器人系统运动学,静态特性、驱动绳索分析以及主从控制系统设计等方面展开了研究。通过对传统介入式导管的研究,结合绳驱动技术和SMA驱动导管的特点,本文设计了一种新型绳驱动式主动导管。导管由主动导管和普通导管串联组成,通过绳索驱动控制主动导管的位姿调整,实现在血管内的导向。针对快速可重构的要求,设计了用于快速组装和拆卸的连接件结构。在对串联导管工作原理分析的基础上,对导管操控装置进行了设计,由绳索驱动模块和直线推送模块共同完成导管在血管内的前进和导向,搭建了导管机器人机械系统的硬件平台。针对本文所涉及的主动导管结构,建立了单节导管及多节串联导管的正向运动学模型,使用D-H参数法对其正向运动学进行了分析,求解了导管末端的工作空间。对主动导管进行了逆运动学分析和雅可比矩阵的求解。在此基础上对导管进行了静态特性分析,研究了驱动绳索力与导管姿态变化的关系。分析了基于大挠度假设法、直线假设和圆弧假设三种模型下的的导管弯曲特性,并基于大挠度假设方法建立了主动导管的等效杆模型,求解了主动导管弯曲轴线的挠度曲线表达式,推导了驱动绳索绳长变化和驱动力随导管位姿参数变化的表达式,使用有限元方法进行了仿真分析,验证了模型的正确性。规划了导管机器人主从控制系统整体架构,从硬件层到控制层进行了具体的设计。使用了带有力反馈功能的三自由度Falcon操作主手,基于开环增量式控制和空间点对点控制的方法,建立了主从映射关系,并通过运动控制卡和驱动电机实现从手对主手的跟随运动。

关键词：导管机器人运动学静态特性绳索驱动主从控制

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介入导管机器人的可重构特性研究

介入导管机器人的可重构特性研究

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作者：赵鹏南京航空航天大学

学位级别：硕士

微创介入手术以其创伤小、恢复快、效果好,成为近年来研究的热点。本文将在人体管道内介入操作的应用背景下,研究一种可重构的导管机器人及其仿真软件。该系统通过弯曲单元数量的增加、控制精度的提高来降低手术技术门槛;通过结构重构,... 详细信息

微创介入手术以其创伤小、恢复快、效果好,成为近年来研究的热点。本文将在人体管道内介入操作的应用背景下,研究一种可重构的导管机器人及其仿真软件。该系统通过弯曲单元数量的增加、控制精度的提高来降低手术技术门槛;通过结构重构,满足手术环境变化对导管机器人结构的不同要求;采用自主运动规划算法实现对导管机器人的操作与控制,从而将医生从强辐射的手术现场解放出来。本项目提出的导管机器人系统,对人类生命质量的提高有着极其重要的意义。本文首先通过模态函数法和直线/圆弧法建立管道模型的数字化描述方法,将手术任务要求、管道约束、障碍约束统一于对管道模型的描述与修改中。针对人体管道内介入操作需要,提出了可重构导管机器人的基本模块组成。并针对典型介入手术环境特征,建立机器人系列化和结构重构统一算法。接着,基于运动等效法推导出单个弯曲单元操作空间、关节空间和驱动空间的映射关系;研究超冗余自由度链式系统的正向运动学可重构建模算法;基于管道描述模型,分别就环境管道外和环境管道内,研究超冗余自由度链式系统的逆向运动学可重构建模算法;针对弯曲单元关节变量的强耦合关系,基于螺旋理论建立可快速扩展的广义雅克比矩阵;分析了机器人的奇异性,建立了灵巧性、通过性的性能评价指标;针对典型介入手术任务,建立了自主运动规划算法;研究了此结构下的非线性方程组求全局最优解时初始值选取的原则。然后,基于C++语言和Open GL的API,在QT5.7平台上编制了机器人三维仿真软件SurgicalRobot。软件包括任务规划、结构重构、运动学、三维仿真等模块。最后,运用三维仿真软件SurgicalRobot和MATLAB进行了手术任务约束下导管机器人的结构重构仿真,验证了可重构导管机器人基本模块中导管推送作业对扩大可达工作空间,扭转操作对扩大灵活工作空间的作用。基于该软件平台,对任务约束下机器人结构重构、运动学模型构建与任务规划算法的正确性与快速性进行了验证。

关键词：导管机器人可重构关节等效超冗余逆向运动学螺旋理论

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基于预测控制的微创血管手术导管机器人系统力跟踪

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伺服控制 2015年第1期 50-52,39页

作者：朱国昕程浩中国人民解放军第463医院医学工程科沈阳工业大学电气工程学院

在微创血管介入手术中,采用三维超声跟踪导管末端力和位姿,来辅助医生完成插管动作。手术要求对导管末端力高精度跟踪,防止用力过度造成血管穿孔,大量流血。但力跟踪过程中数据采集、传输和计算固有的时间延迟易使仪器与血管碰撞,存在... 详细信息

在微创血管介入手术中,采用三维超声跟踪导管末端力和位姿,来辅助医生完成插管动作。手术要求对导管末端力高精度跟踪,防止用力过度造成血管穿孔,大量流血。但力跟踪过程中数据采集、传输和计算固有的时间延迟易使仪器与血管碰撞,存在血管损伤等潜在的危险。为了解决上述问题,本文采用预测控制对导管机器人系统进行力跟踪,利用心脏运动模型来预测心脏路径,从而弥补延迟时间,提高力跟踪精度。仿真结果表明,所提出方法在微创手术中具有可行性与实用性。

关键词：微创血管手术导管机器人力跟踪预测控制阻抗控制

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微创血管手术导管机器人系统无模型自适应控制

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伺服控制 2015年第2期 57-59页

作者：朱国昕程浩中国人民解放军第463医院医学工程科沈阳工业大学电气工程学院

微创血管手术要求导管机器人系统快速响应、强鲁棒性、对目标轨迹准确跟踪以确保手术的安全。传统的位置跟踪过程中,对导管进行假设并建立模型,但是导管模型是不够精确,一定程度上影响了导管的位置跟踪精度。为了解决上述问题,本文采用M... 详细信息

微创血管手术要求导管机器人系统快速响应、强鲁棒性、对目标轨迹准确跟踪以确保手术的安全。传统的位置跟踪过程中,对导管进行假设并建立模型,但是导管模型是不够精确,一定程度上影响了导管的位置跟踪精度。为了解决上述问题,本文采用MFA(Model Free Adaptive,无模型自适应)控制方法,解决导管模型带来的非线性问题,提高系统位置跟踪精度。仿真结果表明,所提方法在微创手术中具有可行性和优越性。

关键词：微创血管手术导管机器人位置跟踪无模型自适应控制

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