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1、基于力反饋的顱頜面骨科手術(shù)機(jī)器人協(xié)調(diào)控制張海青，欒楠，張?jiān)娎祝鸷＼?，袁斯?1．上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2．上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院，上海200011)CooperativeControlofCranio——maxillofacialSurgicalRobotBasedonForce——feedbackZHANGHai—qing，LUANNan，ZhangShi—lei，GUIHai—jun，YUANSi—chert(1．SchoolofMechanicalEng
2、ineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；2．ShanghaiNinthPeople’sHospitalAffiliatedtOShanghaiJiaoTongUniversityofMedicine，Shanghai200011，China)摘要：虛擬約束基于操作空間的正交分解，將末日本的關(guān)節(jié)造型機(jī)器人_3等?，F(xiàn)有的這些骨科手術(shù)端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)空間分別分解為自由運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)，大都專門用于膝、髖關(guān)節(jié)造型方面。其中受約束運(yùn)動(dòng)2部分
3、，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)定義軌跡跟蹤和ACRobot工作在隨動(dòng)方式，其它為自動(dòng)操作，且末靈活的器械姿態(tài)調(diào)整；醫(yī)生借助力反饋獲得可靠的端執(zhí)行工具為鉆，主要實(shí)現(xiàn)骨面磨削、鉆孔等比較容臨場(chǎng)感，依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)判斷調(diào)整手術(shù)進(jìn)度、施力大易控制并自動(dòng)執(zhí)行的手術(shù)動(dòng)作。對(duì)顱頜面骨整復(fù)手小，達(dá)到對(duì)手術(shù)操作的控制。術(shù)來(lái)說，手術(shù)操作類型以切割為主鉆磨為輔，手術(shù)中關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制；虛擬約束；姿態(tài)空間；位置空時(shí)刻要求鋸片方向與規(guī)劃軌跡切向保持一致，且解間；力反饋剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及頭部重要組織結(jié)構(gòu)，自動(dòng)化的操作中圖分類號(hào)：TH787方式難以隨
4、時(shí)根據(jù)阻力、切割截面狀況和操作干涉文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A情況調(diào)整手術(shù)動(dòng)作。而醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)判斷和術(shù)中手眼文章編號(hào)：1001—2257(2012)05—0062—03結(jié)合可以方便的對(duì)手術(shù)策略做出指導(dǎo)和調(diào)整，但傳Abstract：Theconceptofvirtualfixturesis統(tǒng)的醫(yī)生主刀操作存在手術(shù)精度不夠、難以實(shí)現(xiàn)精usedtorestrictmotionoftherobotmanipulatorac—細(xì)手術(shù)力控制的問題。cordingtopre—operativelydefinedtrajectory
5、and對(duì)于顱一頜面骨科手術(shù)操作來(lái)說，單純的自主式postureconstraints．Orthogonaldecompositionis或被動(dòng)式操作都不能滿足要求。較好的方案是，既usedheretoassigncontrolofthemanipulatorto能實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)機(jī)械臂動(dòng)作的實(shí)時(shí)掌控，同時(shí)又可以thesurgeonandtherobotseamlessly．Moreover，把末端手術(shù)器械的受力狀況反饋給醫(yī)生。有研究將force—feedbacktechnologyisintroducedt
6、omake基于力傳感器的協(xié)調(diào)控制策略引人顱頜面手術(shù)thesurgeon“feel”thecuttingforceduringopera—中]，手術(shù)中，末端執(zhí)行器上的力傳感器接收醫(yī)生tion．作用力和環(huán)境反作用力，利用二者之差作為執(zhí)行器的速度控制輸入。但這種力一速度控制方式存在位Keywords：cooperativerobotics；virtualfix—tures；posturespace；trajectoryspace；forcefeed—置精度低、力反饋效果差的缺點(diǎn)。為此，在力反饋的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)
7、出符合顱一頜面骨科手術(shù)操作的虛擬back約束方法，實(shí)現(xiàn)了精度高、I臨床感真實(shí)的醫(yī)生一機(jī)器人協(xié)調(diào)操作。0引言1系統(tǒng)組成因其輸出穩(wěn)定、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，機(jī)器人輔助技術(shù)在1．1硬件組成骨科手術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，以幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)高難手術(shù)系統(tǒng)主要由3部分組成：機(jī)械臂本體、雙目度動(dòng)作及微創(chuàng)操作，如ROBODOC，ACRobot，導(dǎo)航儀及其三維導(dǎo)航軟件、力反饋設(shè)備。機(jī)械臂本收稿日期：2011—11—21基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30801302)體具有7自由度，三維空間任意位姿的實(shí)現(xiàn)只需要·62·《機(jī)械與電子)2
8、012(5)基人6個(gè)自由度就能實(shí)現(xiàn)，多出的冗余自由度可以用于自由調(diào)整鋸切速度。操作度優(yōu)化或避障。導(dǎo)航儀為NDI雙目紅外導(dǎo)航已有的虛擬約束策略都不能滿足這樣復(fù)雜的使儀，空間位置精度土0．25mm，導(dǎo)航軟件采用自主研用要求_6]，需要設(shè)計(jì)新的約束策略實(shí)現(xiàn)之。為此，發(fā)的高精度光學(xué)導(dǎo)航輔助顱一頜面骨畸形整復(fù)手術(shù)根據(jù)導(dǎo)航儀術(shù)前規(guī)劃的手術(shù)路徑，首先把手術(shù)器械軟件系統(tǒng)(TbNavis—CMFS軟件著作登記號(hào)：在笛卡爾空間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)分為位置運(yùn)動(dòng)D、姿態(tài)2006SR16
