微创外科手术机器人技术,在传统微创手术的基础上,将机器人技术与医疗相结合,促进了外科手术的发展。具有失血少,创伤小,操作精度高,灵活性强,医生操作不易疲劳,且能去除手部抖动等诸多优点。微创手术机器人系统的运动控制,是自主研发的重要环节,尤其对于主从式异构机器人系统。本文针对已研发的微创外科手术机器人硬件系统,开展了运动控制,力觉感知与力觉反馈功能等关键技术的研究,内容主要如下:1.针对课题组研发的主手与从手的机械结构进行充分的分析,求出两者的正运动学解与逆运动学解。计算主手与从手的工作空间,在理论上验证系统在微创外科手术中存在不动点的特点下,是可行的。分析主手与从手的受力情况,确定两者的动力学模型及其性质,为系统实现力-位置双向控制提供了依据。以实现主从运动控制为目标,提出了一种主从异构微创外科手术机器人系统的控制方法。针对本机器人系统具有的多自由度、异构的特点,提出了位姿分离的控制方案,减小计算量,提高系统实时性。经过分析PID控制算法对电机控制的影响,采用了模糊PID算法进行运动控制。搭建微创外科手术机器人系统的硬件控制平台,设计了具有良好人机交互性能的软件控制程序。经过主从跟随实验的验证,系统在该控制算法下,运动性能良好,基本可以满足手术的操作要求。此外,在人机交互方面,本文设计了阿尔法滤波器对主手的抖动进行了滤波处理。实验表明,对电机的输出有良好的平滑效果。2.针对目前微创外科手术遥操作机器人系统缺乏力觉感知的特点,本文提出了一种适用于微创外科手术机器人系统的微型力传感器的标定矩阵的标定算法。利用有限元分析法,分析了传感器在不同力、力矩下的应变,及其灵敏度和维间耦合。根据分析结果,选择不同的电桥输出组合与某一力向量映射,起到了降低标定矩阵维数的作用。设计并搭建标定平台,完成了传感器的静态标定工作。利用最小二乘法进行数据分析,确定了传感器的标定曲线和耦合系数矩阵。标定结果显示该传感器具有高精度,测力范围适中等特点。将传感器安置在从手末端,进行了猪肝力感知实验,分别进行了碰触、扭转等类手术动作。实验结果表明该传感器在精度、测力范围上,能够满足微创外科手术中力觉感知的需要。3.针对本课题组已经研发的微创外科手术机器人硬件系统,进行了力觉反馈研究,重点探讨了采集到的力觉信息如何在主手设备上再现。探索了力信息与力矩电流之间的关系,确定两者呈线性关系。提出了一种实现微创外科手术机器人主从系统的力觉感知与力觉反馈功能的算法。利用六维力传感器实时采集力觉信息,初步实现了微创外科手术机器人系统的力觉感知与力觉反馈功能。4.本文针对课题组研发的上肢康复设备,开发了数据采集系统,利用采集到的关节角度数据,将虚拟环境与现实联系在一起,提出了一种量化上肢康复训练与评估的方法。利用采集到的肌电信号数据,评估了设备对人体肌肉的影响。最后通过病人实验,验证了该设备的康复效果。