活体腔内直驱中空手腕操作的多场耦合姿态控制研究

In order to overcome the defects of the traction wire transmission in the minimally invasive devices and facilitate the transmission of image information in the laparoscopic, the hollow ultrasonic motors are creatively introduced into the minimally invasive medical field. The research focuses on the largest amount of laparoscopic posture adjustment in minimally invasive surgery and studies the mechanism, rules, the design of the wrist and the basic problems in the clinical application of the direct drive multi-DOF hollow wrist in living body surgery.The aim of the project is to build a thermal, mechanical and electrical multi-field coupling model in the operation of a living body, to study the nonlinear mechanism and constraint matching of wrist drive and control servo system under complex constraints in the living body, to study multivariable cooperative high performance control of direct drive hollow wrist servo system in the living body, to develop a mathematical description and a performance tuning strategy of the force, motion and energy transfer behavior of a hollow ultrasonic motor, a matching circuit, a drive / control circuit, and a wrist compound drive system, to research on safety operation control strategy and the design theory and standard evaluation system of wrist system by experiments, to reveal dynamic coupling mechanism among the mechanical structure, drive and control decoupling method of heat, machine and electric, to propose multi variable coordinated servo control algorithms of high precision and high stability under complex constraints environment. The purpose of this project is to strengthen the basic theory system of minimally invasive surgery robots and equipments in our country, to improve the ability of original innovation in the research of high-end medical equipments.

以微创手术使用量最大的胸/腹腔镜的姿态调整为对象，为克服现有微创器械中牵引丝传动的弊端以及便于镜头中传输图像信息的光纤走线，创造性地将中空超声电机引入微创医疗领域。本项目将研究活体腔内超声电机直接驱动的多自由度中空手腕设计原理、驱动机制和临床操作中的基本科学问题: 活体腔内手腕系统操作中热、机、电多物理场耦合模型; 活体腔内复杂约束状况下手腕驱动和控制伺服系统非线性机理和约束匹配; 活体腔内直驱中空手腕伺服系统多变量协同高性能控制; 发展包含中空超声电机、匹配电路、驱动/控制电路以及手腕系统复合驱动的力、运动和能量传递行为的数学描述及性能调控策略;实验研究安全操作控制策略并探索手腕系统设计理论和标准评价体系。揭示机械、驱动、控制变量间的相互动态耦合机制，建立复杂约束状况下多变量协同高精度、高稳定性伺服控制算法。旨在强化微创手术机器人及器械领域的基础理论体系，提升我国在这方面的创新能力。

以微创手术使用量最大的腹腔镜的姿态调整为对象，为克服现有微创器械中牵引丝传动的弊端以及便于镜头中传输图像信息的光纤走线，将中空超声电机引入微创医疗领域。本项目针对小型中空超声电机的设计问题，提出了一套有限元方法、拉丁超立方抽样方法、响应面模型和遗传算法糅合而成的优化算法。利用优化算法对电机的定、转子进行了优化设计，通过对定子的结构进行优化解决了定子模态混叠，振幅较小等问题；提出了小型中空超声电机的驱动控制优化匹配方案。结合电机本体，对电机和驱动器组成的机电一体化系统进行统一描述，得到整个机电一体化系统的等效电路。通过傅里叶变换的方法对超声电机驱动信号进行处理，构建了电机及其驱动系统各级效率的计算方法，从而揭示了采用压电激励弹性体共振通过摩擦驱动和能量传递过程中的能量损失规律。研究了小型中空超声电机易出现的四种非正常启动和停止现象，通过对小型中空超声电机定子工作时的受迫振动进行理论分析，提出了电机产生非正常停止的原因为负载扭矩的增大导致电机共振频率增加，通过电机在不同负载扭矩下调频调速测试实验验证了负载扭矩增大会导致电机共振频率偏离工作频率，并给出了预防措施。针对小尺寸系列电机预压力加载要求，采用了开槽碟簧作为加载部件。基于碟形弹簧和渐变截面悬臂梁的力学计算模型，提出了开槽碟簧受压变形的计算方法。为了进一步减小腹腔镜的径向尺寸，设计了一款新型的双腿式微型旋转超声电机，将最大径向尺寸控制在∅12mm内。构建了超声电机驱动的腹腔镜三自由度手腕主从手控制系统，为易于操作，设计了鼠标式三自由度主手，通过D-H参数法对从手腹腔镜进行正运动学解算，并利用仿真得到了工作空间，分析了主从映射算法结构，采用了卡尔曼滤波器对主从控制信号进行了降噪处理，并进行工作视野测量实验，为了便于视野的量化，实验中设计了一款视野测量装置，通过观察测量装置上的标签验证了腹腔镜手术系统满足视野和运动要求。