课题基金 / 基金详情

开颅手术机器人的人-机-环交互机制与协同控制方法研究

批准号:
62073043
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
段星光
依托单位:
学科分类:
机器人学与智能系统
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
段星光

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
开颅手术是神经外科一种典型的治疗手段,由于颅骨解剖结构不均,其下方血管、神经、静脉窦等分布错综复杂,目前完全依赖人工实施开颅手术的传统术式存在手术风险高、长时间负重操作、体力精力消耗严重、安全性稳定性差等诸多问题。手术机器人在提高手术的稳定性、可靠性、安全性以及减轻操作强度等方面提供了一种有效的手段。.基于开颅手术的临床需求,构建由医生、机器人和患者所组成的典型的“人-机-环”"融合系统,突破逆向驱动柔顺交互操作、虚拟约束变阻抗控制、医生在环的人机增强导纳、虚拟约束和力交互自然约束下的混合伺服以及基于强化学习应对不确定性约束信息的控制优化等瓶颈技术,解决未知不确定性环境下的交互机制与协同控制问题,实现人机协同手术操作,提升手术机器人的智能化水平,在有效解决开颅手术稳定、柔顺、安全、省力等临床操作难题的同时,进一步丰富了人机交互协作控制的基础理论,有着重要的科学意义与研究价值。
英文摘要
Craniotomy is a typical treatment in neurosurgery. Because the skull structure is extremely complex, and the blood vessels, nerves, and sinuses underneath it are intricately distributed, the current surgical risk is very high. Doctor works very hard, consume a lot of physical energy, and keep their concentration at all times, which is a big hidden danger to the safety of surgery. Surgery robot provides an effective method in improving the stability, reliability, safety and reducing the intensity of operation. Based on the clinical requirements of craniotomy, a system of "human-robot-environment" composed of doctors, robots, and patients was constructed. The reverse drive for compliant interaction operation, virtual fixtures implemented by impedance control, doctor-in-loop reinforcement admittance in human-robot interaction, hybrid servo under virtual fixtures and natural constraints and controller optimization aiming at uncertain constraint information using reinforcement learning are investigated which are conceived to be key points to achieve human-robot collaborative intelligent operation and to improve the robot intelligence level and to. While efficiently solving the clinical challenge of stability, compliance, safety as well as effort-saving, it can supplement the control theory for human-robot interaction and collaboration, with significant scientific and researchable value.
背景:目前,神经外科手术中开颅手术所占比例最高,开颅手术是神经外科最常用的治疗手段,占总手术量的80%以上,也是神经外科手术中风险最高,最费时费力的手术之一。医生长时间负重操作,并且需要保证钻、铣的高精度,保障手术安全,传统的开颅方法大大消耗医生的体力与精力,并且手术操作严重依赖于医生经验。颅骨解剖结构不均,其下方血管、神经、静脉窦等分布错综复杂,危险性极高,人工钻孔开颅难以精确稳定地把握钻头、铣刀的力度,极易出现失稳失速等危险情况。,将机器人技术引入到开颅手术中,不仅可以屏蔽或降低外科医生的生理因素对手术效果的影响,如抖动、疲劳或误操作等,而且可以实现病灶的精确识别和颅骨开窗定位,实现开颅手术的精准、稳定、高效和安全。 .主要研究内容:本项目以典型的开颅手术机器人的人机协同交互控制为核心,通过建立虚拟约束及其基于手术路径规划的机器人控制、“人-机-环”不确定性信息交互的自然约束及其二者的混合控制,达到医生在环的信息共享与智能化控制,实现了医生在环的人机协同型手术机器人稳定、宜人、高效与安全的手术操作。.重要结果:本项目提出了虚拟约束与医生意图融合的共享控制方法,提出了外环导纳内环阻抗的人机环交互控制方法,搭建了基于7自由度高精度力控机械臂的实验验证平台,构建了基于FS标架的路径跟踪控制方法,设计了基于可变虚拟约束的开颅/颌面机器人深度控制器,提出了基于人-机-环建模的切削力鲁棒控制方法,开发了面向颅骨的动态跟踪定位技术与补偿控制方法,设计了基于双力传感器的控制结构,设计了路径导向的虚拟夹具。.关键数据及其科学意义:在接触控制实验中,当传统的接触控制在特定情况下变得不稳定时,接触控制算法在米勒碰撞时能维持稳定性,回归力的最大误差是0.39N。在侧向偏差方面,基于机器人的铣削操作在侧向位置跟踪任务中已经实现了0.3毫米的精度。包括具有1Hz频率和5mm振幅的周期性仿体运动的实验验证显示,最大误差为0.7毫米,优于传统控制方法(高达2.0毫米)和自由手操作方法(5.0毫米)。由于所提出的系统能够测量病人的动作,并将其作为框架的前馈信号,系统因此能够跟随病人的动作,并据此调整预先规划的路径以增强铣削执行。所提出的系统在实时对准表面法线时提供了方向控制的灵活性,共享方式减少了计算复杂性并提高了摩擦锥的稳定性。
经皮穿刺手术机器人信息感知透明性机理与靶点精准穿刺基础理论与关键技术研究
  • 批准号:
    U2013209
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    287.0万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    段星光
  • 依托单位:
开颅手术机器人的人-机-环交互机制与协同控制方法研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    段星光
  • 依托单位:
面向机器人穿刺的斜尖穿刺针-软组织交互作用机理与规划控制研究
  • 批准号:
    61673064
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    段星光
  • 依托单位:
狭窄空间内机器人安全精准手术操作基础理论与关键技术研究
  • 批准号:
    U1613221
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    260.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    段星光
  • 依托单位:
国内基金
海外基金