臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在建構一具有模糊速度調變機制的自動穿刺系統開發。穿刺行為較常見於醫療行為上，且絕大部份仍是由人為的方式進行，真實突破點的判斷均仰賴操作者的經驗及技術，其侵入及組織破壞的程度勢必有所影響。因此，降低人為因素對操作物不必要的破壞及影響，為本文主要訴求。
由於目前的環境無法即時掌握探針的侵入位置，且組織大小也有所差異；本文即以回饋力資訊取代位置資訊，作為突破點的判斷依據，當偵測到突破現象發生時，即進一步停止設備動作。為降低組織內部可能的氣泡擾動影響，本文結合卡曼濾波器，藉以提升突破點判斷的正確性。最後結合模糊控制理論，設計模糊速度控制器，旨在當探針逼近突破點時進行減速控制，藉以降低過度穿刺量。

This thesis mainly develops an automatic needle puncture system with fuzzy speed scheduling. Puncture behavior is more common in medical practice is still on and most of the way by the man-made. Real breakthrough in judgments relies on the operator’s experience and technology, the degree of invasion and tissue destruction is bound to be affected. Therefore, we aim to reduce unnecessary human factor on the operation of property damage and impact.
Due to the position of probe can’t be clear immediately in the current operation environment. And each tissue may not alike. For this reason, we take the force feedback information to replace the position information, as the breakthrough point of judging basis. When detected a breakthrough happens that further action to stop devices. To reduce bubbles within the tissue effect, we use the Kalman filter to improve the accuracy of breakpoint judgments.

目錄

誌謝 iv
摘要 v
ABSTRACT vi
目錄 vii
1 簡介 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究背景 1
1.3 內容大綱 3
2 系統架構 4
2.1 前言 4
2.2 串列傳輸通訊（RS-232c） 5
2.3 電子式拉壓力計 8
2.3.1 力感測器 9
2.3.2 電子式拉壓力計功能及操作介紹 12
2.4 導軌引動器 17
2.5 直流無刷伺服馬達 19
2.6 主控端操作平台 28
3 研究方法 31
3.1 前言 31
3.2 傳統判斷法 31
3.3 卡曼濾波器（Kalman Filter） 34
3.4 模糊速度調變機制 44
3.4.1 模糊理論 44
3.4.2 控制器設計 52
4 模擬與實驗 56
4.1 前言 56
4.2 虛擬物體模型 56
4.3 電泳仿體製作 63
4.4 模擬與實驗 65
4.4.1 均勻物體之回饋力變化判斷 66
4.4.2 不均勻物體之回饋力變化判斷 70
4.4.3 卡曼濾波器之回饋力變化判斷 74
4.4.4 卡曼濾波器結合模糊速度調變機制 79
5 結論與建議 84
5.1 結論 84
5.2 建議 85
參考文獻 86
附錄 SmartMotorTM常用指令[16, 17] 91


圖目錄

圖2.1 系統架構圖 4
圖2.2 系統實照圖 5
圖2.3 傳輸示意圖 6
圖2.4 UART傳輸格式 6
圖2.5 RS-232c電氣特性 7
圖2.6 DB-9接頭 (a)公頭 (b)母頭 8
圖2.7 感測器基本運作流程 9
圖2.8 應變規結構圖 10
圖2.9 壓電轉換器結構圖 10
圖2.10 可變電容式壓力感測器結構圖 11
圖2.11 荷重元結構圖 11
圖2.12 電子式拉壓力計實照圖 12
圖2.13 電子式拉壓力計按鍵說明圖 13
圖2.14 電子式拉壓力計之介面連接埠 14
圖2.15 介面連接埠接腳功能圖 15
圖2.16 MAX232腳位圖[16] 15
圖2.17 MAX232電路設計圖 16
圖2.18 RS-232c傳輸電路實照圖 16
圖2.19 傳統伺服馬達控制系統[18] 19
圖2.20 SmartMotorTM 直流無刷伺服馬達架構圖 20
圖2.21 SmartMotorTM 直流無刷伺服馬達實照圖 20
圖2.22 電源模組實照圖 22
圖2.23 單軸RS-232c通訊接線 22
圖2.24 15 Pin D-Sub I/O接腳圖 23
圖2.25 極限開關設置實照圖 27
圖2.26 Omron EE-SX671極限開關腳位圖[22] 28
圖2.27 Omron EE-SX671極限開關時序圖[22] 28
圖2.28 自動穿刺系統人機操作介面 30
圖3.1 突破點判斷流程圖 31
圖3.2 回饋力構成響應圖 32
圖3.3 均勻物體回饋力變化響應圖 33
圖3.4 不均勻物體回饋力變化響應圖 34
圖3.5 低通濾波器之方塊圖 34
圖3.6 時間常數 之模擬結果 35
圖3.7 時間常數 之模擬結果 35
圖3.8 卡曼濾波器完整運算流程示意圖 43
圖3.9 明確集合 45
圖3.10 模糊集合 45
圖3.11 模糊控制基本架構圖 46
圖3.12 三角形歸屬函數 47
圖3.13 梯形歸屬函數 48
圖3.14 單值歸屬函數 49
圖3.15 Min-Min-Max 模糊推論過程 50
圖3.16 仿體之回饋力劇烈變化示意圖 52
圖3.17 歸屬函數 55
圖4.1 質量-彈簧模型示意圖 57
圖4.2 三種描述黏彈特性的機械模型 57
圖4.3 伸展-壓縮的變形時間圖 58
圖4.4 不同變形量之傳播力分佈示意圖 59
圖4.5 穿刺階段行為示意圖 61
圖4.6 各原料實照圖 63
圖4.7 仿體實照圖 (a)均勻仿體 (b)不均勻仿體 64
圖4.8 系統模擬方塊圖 65
圖4.9 均勻物體、低速操作之模擬響應圖 67
圖4.10 均勻物體、高速操作之模擬響應圖 67
圖4.11 均勻物體、回饋力變化判斷、低速操作之模擬響應圖 68
圖4.12 均勻物體、回饋力變化判斷、高速操作之模擬響應圖 68
圖4.13 均勻物體、回饋力變化判斷、低速操作之實驗響應圖 69
圖4.14 均勻物體、回饋力變化判斷、高速操作之實驗響應圖 69
圖4.15 不均勻物體、低速操作之模擬響應圖 71
圖4.16 不均勻物體、高速操作之模擬響應圖 71
圖4.17 不均勻物體、回饋力變化判斷、低速操作之模擬響應圖 72
圖4.18 不均勻物體、回饋力變化判斷、高速操作之模擬響應圖 72
圖4.19 不均勻物體、回饋力變化判斷、低速操作之實驗響應圖 73
圖4.20 不均勻物體、回饋力變化判斷、高速操作之實驗響應圖 73
圖4.21 不均勻物體、卡曼濾波器、低速操作之模擬響應圖 75
圖4.22 不均勻物體、卡曼濾波器、高速操作之模擬響應圖 75
圖4.23 不均勻物體、卡曼濾波器判斷、低速操作之模擬響應圖 76
圖4.24 不均勻物體、卡曼濾波器判斷、高速操作之模擬響應圖 76
圖4.25 提高氣泡擾動為10g、低速操作之模擬響應圖 77
圖4.26 提高氣泡擾動為10g、高速操作之模擬響應圖 77
圖4.27 不均勻物體、卡曼濾波器判斷、低速操作之實驗響應圖 78
圖4.28 不均勻物體、卡曼濾波器判斷、高速操作之實驗響應圖 78
圖4.29 均勻材質、卡曼濾波器判斷、模糊速度調變之模擬響應圖 79
圖4.30 均勻材質之侵入深度–速度模擬響應圖 80
圖4.31 不均勻材質、卡曼濾波器判斷、模糊速度調變之模擬響應圖 80
圖4.32 不均勻材質之侵入深度–速度模擬響應圖 81
圖4.33 均勻仿體、卡曼濾波器判斷、模糊速度調變之實驗響應圖 81
圖4.34 均勻仿體之侵入深度–速度實驗響應圖 82
圖4.35 不均勻仿體、卡曼濾波器判斷、模糊速度調變之實驗響應圖 82
圖4.36 不均勻仿體之侵入深度–速度實驗響應圖 83


表目錄

表2.1 9 Pin D-Sub接腳功能表 8
表2.2 電子式拉壓力計規格表 12
表2.3 電子式拉壓力計螢幕各位數定義表 13
表2.4 讀取指令 14
表2.5 輸出指令 14
表2.6 KR2602A型導軌引動器額定負荷及規格 18
表2.7 SmartMotorTM 直流無刷伺服馬達規格 21
表2.8 7 Pin D-Sub 接腳功能表 22
表2.9 15 Pin D-Sub接腳功能表 23
表2.10 狀態字元說明 24
表3.1 離散時間控制系統之符號說明 38
表3.2 傳統集合與模糊集合比較表 46
表3.3 速度控制規則表 54
表4.1 機械模型的伸展、壓縮關係式 58
表4.2 仿體製作原料 64
表5.1 平均過度穿刺量統計表 84

參考文獻

[1] S. R. Moore and N. Hogan, "Part Referenced Manipulation: a Strategy Applied to Robotic Drilling," Control of Manufacturing Processes and Robotic Systems, pp. 183-91, 1983.
[2] B. Allotta, F. Belmonte, L. Bosio, and P. Dario, "Study on a Mechatronic Tool for Drilling in the Osteosynthesis of Long Bones: Tool/Bone Interaction, Modeling and Experiments," Mechatronics, vol. 6, pp. 447-459, 1996.
[3] B. Allotta, G. Giacalone, and L. Rinaldi, "A Hand-Held Drilling Tool for Orthopedic Surgery," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 2, pp. 218-229, 1997.
[4] G. Alici and R. W. Daniel, "Robotic Drilling Under Force Control: Execution of a Task," IEEE/RSJ/GI International Conference, vol. 3, pp. 1618-1625, 1994.
[5] Z. Wenqiang and P. Yan, "A Novel Robotic Assistant for Reducing Hand-Held Surgical Tool Tremor in Surgical Navigation," Bioinformatics and Biomedical Engineering, pp. 1-4, 2009.
[6] W. Y. Lee and C. L. Shih, "Control and Breakthrough Detection of a Three-Axis Robotic Bone Drilling System," Mechatronics, vol. 16, pp. 73-84, 2006.
[7] C. J. Coulson, R. P. Taylor, A. P. Reid, M. V. Griffiths, D. W. Proops, and P. N. Brett, "An Autonomous Surgical Robot for Drilling a Cochleostomy: Preliminary Porcine Trial," Clinical Otolaryngology, vol. 33, pp. 343-347, 2008.
[8] F. Ong and K. Bouazza-Marouf, "Drilling of Bone: a Robust Automatic Method for the Detection of Drill Bit Break-Through," Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, vol. 212, pp. 209-221, 1998.
[9] F. Ong and K. Bouazza-Marouf, "The Detection of Drill Bit Break-Through for the Enhancement of Safety in Mechatronic Assisted Orthopaedic Drilling," Mechatronics, vol. 9, pp. 565-588, 1999.
[10] Y. L. Hsu, S. T. Lee, and H. W. Lin, "A Modular Mechatronic System for Automatic Bone Drilling," Biomedical Engineering - Applications, Basis and Communications, vol. 13, pp. 168-184, 2001.
[11] P. N. Brett, D. A. Baker, R. P. Taylor, and M. V. Griffiths, "Controlling the Penetration of Flexible Bone Tissue Using the Stapedotomy Microdill," Journal of Systems and Control Engineering, vol. 218, pp. 343-351, 2004.
[12] P. N. Brett, R. P. Taylor, D. W. Proops, C. J. Coulson, A. P. Reid, and M. V. Griffiths, "An Autonomous Surgical Robot Applied in Cochleostomy," ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, vol. 8, pp. 225-229, 2008.
[13] 范逸之，2002，Visual Basic 與分散式監控系統：使用 RS-232/RS-485 串列通訊，文魁。
[14] 陳茂璋、鄧明發，2001，微電腦專題製作應用電路，知行文化。
[15] 瑞滄企業股份有限公司，ALGOL HF系列 電子式拉壓力計 使用說明書。
http://www.taiwanpage.com.tw/co/co5/index.cfm?id=109409
[16] Maxim, +5V-Powered Multichannel RS-232 Drivers/Receivers. Available, http://www.maxim-ic.com.
[17] THK, LM導軌引動器 Available, http://www.thk.com/.
[18] 顏嘉男，2007，泛用伺服馬達應用技術，全華。
[19] Animatics Corporation, Smart MotorTM SM 2315 Series Available, http://www.smartmotor.com/.
[20] Animatics Corporation, The Smart MotorTM User's Guide, Animatics Corporation, 2008.
[21] Animatics Corporation, Animatics Institute Manual Animatics, Corporation, 2008.
[22] OMRON, Transistor Output 光遮斷器 EE-SX671.
[23] 范逸之、陳立元，2002，Visual Basic 與 RS-232 串列通訊控制最新版，文魁。
[24] 陳錦輝，2008，Visual Basic 6 初學指引，博碩文化。
[25] 黃世陽、吳明哲，1998，Visual Basic 6.0 學習範本，松崗。
[26] 賽奎春、李俊民，2008，Visual Basic 函數參考大全，文魁資訊。
[27] R. E. Kalman, "A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems," Journal of Basic Engineering, vol. 82, pp. 35-45, 1960.
[28] G. Welch and G. Bishop, "An Introduction to the Kalman Filter," University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, 1995.
[29] G. F. Franklin, J. D. Powell, and M. Workman, Digital Coontrol of Dynamic Systems, 3rd ed.: Addison Wesley Longman, Inc., 1998.
[30] H. Hutchings, Interfacing with C: Oxford: Butterworth-Heinemann, 1995.
[31] M. A. Greminger and B. J. Nelson, "Deformable Object Tracking Using the Boundary Element Method," IEEE Computer Society Conference, vol. 1, pp. I-289-I-294, 2003.
[32] R. Holbrey, A. Bulpitt, K. Brodlie, M. Walkley, and J. Scott, "A Model for Virtual Suturing in Vascular Surgery," Theory and Practice of Computer Graphics, pp. 50-58, 2004.
[33] K. S. Choi, H. Sun, and P. A. Heng, "Interactive Deformation of Soft Tissues with Haptic Feedback for Medical Learning," IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol. 7, pp. 358-363, 2003.
[34] N. M. Vafai and S. Payandeh, "Toward the Development of Interactive Virtual Dissection with Haptic Feedback," Virtual Reality, pp. 1-19, 2009.
[35] Y. Fung, Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues: Springer, 1993.
[36] Y. Zhong and B. Shirinzadeh, "Soft Tissue Modelling through Autowaves for Surgery Simulation," Medical and Biological Engineering and Computing, vol. 44, pp. 805-821, 2006.
[37] L. A. Zadeh, "Fuzzy sets," Information and Control, vol. 8, pp. 338-353, 1965.
[38] M. Zhuang and D. P. Atherton, "Automatic Tuning of Optimum PID Controllers," Control Theory and Applications, IEE Proceedings D, vol. 140, pp. 216-224, 1993.
[39] C. C. Yu, Autotuning of PID Controllers: Relay Feedback Approach vol. 60 New York: Springer. London, 1999.
[40] 楊憲東、葉芳栢，1997，線性與非線性H∞控制理論，全華。
[41] 楊英魁、孫宗瀛，2005，Fuzzy控制：理論、實作與應用，全華。
[42] M. Sugeno, "On Stability of Fuzzy Systems Expressed by Fuzzy Rules with Singleton Consequents," IEEE Transactions on Fuzzy Systems, vol. 7, pp. 201-224, 1999.
[43] 楊英魁、孫宗瀛，1996，模糊控制理論與技術，全華。
[44] H. Wu and J. M. Mendel, "On Choosing Models for Linguistic Connector Words for Mamdani Fuzzy Logic Systems," IEEE Transactions on Fuzzy Systems, vol. 12, pp. 29-44, 2004.