基于磁流变液力/触觉反馈的遥操作血管介入手术机器人系统稳定性和透明性研究
批准号:
62103299
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
宋雨
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:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋雨
中文摘要
以提高医师的手术临场感和手术安全性为目标,对血管介入手术机器人系统主从控制的稳定性和透明性进行研究。本项目拟用传统手术导管/导丝作为主端操作媒介实现对从端手术机器人导管/导丝的协同控制,将磁流变液技术应用于主端操作器的开发来模拟再现手术导管/导丝在管脉系统中的阻力情况,根据从端手术机器人驱动电机的电流损耗来建立“电流-速度-阻力”三者关系模型,实现从端导管/导丝递送阻力的实时获取,进而设计实现符合人体工学且可充分利用传统手术操作技巧的血管介入手术机器人系统。针对主端操作者操作速度与传感器采样频率的不匹配,以及主从通信数据丢包的问题,建立主端操作器和从端手术机器人的数学模型,设计输入整形级联控制算法实现主从导管/导丝的速度和位移稳定跟随。设计基于力觉提醒的触觉共享控制策略,来提升操作者的手术临场感,同时为操作者提供操作安全预警。研究成果为血管介入手术机器人领域的研究提供理论基础与技术支撑。
英文摘要
To improve the doctor's surgical presence and surgical safety, the stability and transparency of the master-slave endovascular robotic system are studied. This project intends to use the traditional surgical catheter/guidewire as the master operation tool to realize the collaborative control of the slave surgical robot. The Magnetorheological fluid technology will be utilized to develop the master manipulator that simulate resistance force of catheter/guidewire navigation in vascular. The resistance of the catheter/guidewire in the vascular system is calculated by the current loss of the driving motor of the slave. We will use a "current-speed-resistance" three-part relationship model to achieve real-time acquisition of resistance from the catheter/guidewire navigation. An ergonomic robotic system for vascular intervention surgery that can make full use of traditional surgical operation skills. Aiming at the mismatch between the operation speed of the master operator and the sampling frequency of the sensor and the packet loss of the master-slave communication data, the mathematical model of the master operator and the slave surgical robot is established. On this basis, a cascade control algorithm is designed to achieve the speed and position control of the master-slave. Design a tactile sharing control strategy based on force sensation to improve the operator's sense of surgical presence, and provide the operator with safe operation warning. The research will provide theoretical basis and technical support for the field of the master-slave endovascular robotic system design.
医生操作血管介入手术机器人时缺乏有效的力/触觉反馈机制,可能会增加介入手术风险,同时由于无法应用传统介入手术的操作技巧,医生需要较长时间适应机器人操作,影响效率。本项目设计开发了符合人体工学且可充分利用传统介入手术操作技巧的血管介入手术机器人主端操作器,在此基础上结合磁流变液技术,再现了基于操作导管的轴向和径向被动力/触觉反馈,解决了基于传统电机驱动力反馈装置存在固有惯性的问题。设计实现了基于摩擦轮作为递送媒介的导管/导丝同步导航从端手术机器人,建立了从端机器人轴径向运动学模型,构建了基于驱动电机的电流与递送阻力关系数学模型,在无外加力觉传感器的情况下,实现了导管递送阻力的实时检测。在主从控制方面,使用ZN参数调谐方法设计了从端导管/导丝驱动电机PID控制器,并且优化PID参数,实现了主从操作的快速响应;提出一种主从被动力/触觉反馈控制策略,建立了端手术机器人导管递送阻力与主端触觉接口装置驱动电流关系模型,通过霍尔传感器获取磁流变液的触觉接口装置磁场强度,构建了触觉接口装置磁场-力模型,在消除磁滞的同时,实现了触觉接口装置的力/触觉快速响应。设计开发了基于LabVIEW的介入手术机器人交互平台界面,医生可以通过交互平台实时监控机器人运行状态,并能够对操作过程进行记录。最后,通过利用仿人管脉系统模型高度还原的人体血管环境,验证了所设计开发的血管介入手术机器人系统和所提控制策略的可行性和有效性。力反馈技术是当前医疗机器人研究的前沿与难点,本项目摆脱目前主流的力反馈实施策略,以磁流变液技术应用于主操作器用于模拟手术过程中的器械与组织的接触力信息。研究既具有现实意义也具有工程应用的实际前景。
国内基金
海外基金