Tele-operation and Simulation for a New Surgical Robot Design

The virtual system presented in this paper creates a realistic environment for demonstration and provides facilities for good quality rendering. The tele-operation system shows that it is convenient and powerful in defining a 3D path. The approach utilized in this paper can also be used to study other types of robot. ### Tele-operation与模拟技术在新型手术机器人设计中的应用 #### 概述 本文介绍了一种应用于股骨骨折手术治疗的新型混合型机器人的遥操作（Tele-operation）与模拟系统。股骨骨折是一种常见的伤害，其治疗过程中存在着诸多问题，如医生和患者受到过度辐射的风险、骨折复位时可能出现的对位不良等。为解决这些问题，近年来，研究者们开始探索机器人辅助复位手术技术。本文中提到的混合型机器人即为此目的而设计，同时为了帮助外科医生进行术前规划或术中操控，开发了一个遥操作与模拟系统。 #### 关键技术及实现 **1. 虚拟混合机器人构建** 该系统的虚拟混合机器人通过使用V-Realm Builder 2.0软件基于VRML语言构建而成。V-Realm Builder是一款功能强大的虚拟现实编辑工具，能够支持用户创建复杂的三维虚拟环境。通过它，研究团队可以精确地模拟出机器人模型及其工作环境，使得整个系统具有高度的真实感。 **2. 模拟模型构建** 使用MATLAB Simulink以及虚拟现实工具箱建立了模拟模型。MATLAB Simulink是一款集成了建模、仿真和代码生成的软件平台，广泛应用于工程领域的控制系统设计与仿真中。利用这一工具，可以高效地实现机器人运动学分析、动力学分析等功能，并结合虚拟现实技术创造出逼真的手术场景。 **3. 遥操作实现** 遥操作系统采用了Phantom触觉接口设备来实现。Phantom系列设备提供了高度精准的力反馈功能，使外科医生能够通过手部动作直观地控制虚拟机器人完成特定任务。这种方式不仅极大地简化了操作流程，还提高了手术过程中的安全性与准确性。 **4. 系统特点** - **高质量渲染**：该系统提供出色的图像质量，使得用户可以在虚拟环境中获得沉浸式体验。 - **方便定义3D路径**：借助于先进的算法和技术手段，用户可以轻松定义三维空间内的路径规划方案，这对于复杂手术尤为重要。 - **适用范围广**：文中所提出的开发方法不仅适用于股骨骨折复位手术领域，还可以扩展应用于其他类型的机器人研究当中。 #### 技术细节 **1. V-Realm Builder 2.0** - **优点**：易于上手且功能强大，能够快速搭建复杂的虚拟场景。 - **应用场景**：用于构建整个遥操作系统的虚拟环境，包括机器人模型及周边设施等。 **2. MATLAB Simulink + 虚拟现实工具箱** - **优点**：集成度高、易扩展，能够方便地进行各种类型的数据处理与分析。 - **应用场景**：主要用于建立模拟模型并进行相关测试验证，确保遥操作系统具备预期性能指标。 **3. Phantom触觉接口** - **优点**：提供细腻的力反馈效果，增强用户体验。 - **应用场景**：作为主要的人机交互界面，负责将外科医生的操作指令转化为机器人动作。 #### 结论 本文介绍了一种应用于股骨骨折手术治疗领域的新型混合型机器人及其配套的遥操作与模拟系统。该系统通过采用先进的虚拟现实技术和触觉反馈设备，为外科医生提供了更加安全、高效的手术手段。此外，文中提出的方法也具有较强的通用性，未来有望被推广至更多类型的机器人研究之中。