基于等效阻力矩补偿的微创手术机器人反向驱动控制方法

Robot assisted minimally invasive surgery leads MIS techniques to a more precise and dexterous direction. While during the preoperative settings of the robot, the resistance effects caused by robot gravity, inertial force and friction made it so hard for surgeons to adjust surgical instruments precisely that even the instruments may damage the patients' tissues. This situation adds the uncertainty to operations, and extend the time for preoperative settings. Therefore, investigation and realization of the robot's backdrivability for robot assisted minimally invasive surgery are of great urgency. After the work of modeling the equivalent resistance toque , identifying the dynamic parameters and reconfiguring joint status parameters for the robot, this project proposes a control method for the robot's backdrivability. Through incorporating the minimally invasive surgical robot and that method, the study of demonstrative experiments and performance evaluation of the control method can effectively support surgeons during the preoperative settings. Thus the security and efficiency of the robot assisted minimally invasive surgery can be enhanced. Fruits of this project are of great significance to improving the ability of independent innovation of minimally invasive surgical robot in our country, and to the development of high-end medical instruments and their industrialization.

微创手术机器人技术推动了微创外科手术向更精确、更灵活方向的发展。在机器人微创手术术前设置过程中，由于受到机械臂重力、惯性力及摩擦力的抵制作用，医生很难对手术器械进行精细的调整，甚至会出现器械对组织结构造成损伤的情况，增加了机器人手术的不确定性，延长了微创手术的术前设置时间。因此，亟需探索可实现精确操作的微创手术机器人反向驱动实现方法。在深入开展微创手术机器人等效阻力矩建模、参数辨识及关节状态参数重构方法基础上，提出一种基于等效阻力矩补偿的反向驱动控制方法，通过结合微创手术机器人，开展反向驱动控制方法实验与评价研究，为医生在术前设置过程中提供有效的技术支持，进而提高机器人微创手术的安全性和效率。本项目研究成果对提高我国微创手术机器人技术自主创新能力，推进我国高端医疗器械的技术研究和产业化发展具有重要意义。

微创手术机器人技术推动了微创外科手术向更精确、更灵活方向发展。在机器人微创手术术前设置过程中，由于受到机械臂重力、惯性力及摩擦力的抵制作用，医生很难对手术器械进行精细地调整，甚至会出现器械对组织结构造成损伤的情况，增加了机器人手术的不确定性，延长了微创手术的术前设置时间。项目开展了基于等效阻力矩补偿的微创手术机器人双向反向驱动控制方法研究，增加了微器械术前位置调整的灵活性，提高了机器人微创手术的质量和效率。.针对微创手术机器人远心机构结构特征和传动特点，采用拉格朗日方法对远心定位机构的旋转关节进行动力学建模，并依据远心运动机构术前调整速度低、运动反复的特点，在阻力矩模型中附加Stribeck摩擦力/力矩项。根据钢丝接触力学对基于钢丝-滑轮传动的直线运动关节进行了动力学特性分析，建立了移动运动关节柔性动力学模型。通过三维模型仿真与辨识实验相结合的方法得到了各关节动力学参数，基于关节状态观测器和数字滤波器分别获得旋转关节和直线运动关节速度、加速度运动状态信息。在此基础上，基于直流伺服电机不同控制模式的特点以及重力和摩擦力相互作用，实现了基于等效阻力矩补偿的双向反向驱动控制方法。微创手术机器人反向驱动控制实验结果表明所设计的反向驱动控制方法可以将反向驱动力矩降低70%以上，显著减轻了低速运动爬行现象。将反向驱动控制方法集成在微创手术机器人主从控制系统中，开展了三例猪胆囊切除术和一例猪肾脏切除术，在手术过程中辅助医生可以轻松、准确地将手术器械调整到病灶部位，手动调整过程较为精细、柔顺，显著地提高了机器人微创手术的效率和安全性。.基于等效阻力矩补偿的双向反向驱动控制方法解决了微创手术机器人术前设置中手动调整困难的实际问题，对提高我国微创手术机器人技术自主创新能力，推进我国高端医疗器械的技术研究和产业化发展具有重要意义。