基于光纤光栅的手术机器人器械多维力测量方法研究
发布时间：2023-04-08 00:38
手术机器人在执行手术操作时,存在力觉反馈能力缺失的问题,无法将手术器械与人体组织的交互力反馈给医生,导致医生在执行一些精细操作时,无法施加精确的作用力,给手术质量和效率带来不利影响。为此,手术机器人器械的交互力测量成为研究热点,科研人员基于电磁、光纤光栅等敏感元件开展了一系列多维力测量研究,但目前仍存在测量维数不足、维间耦合严重、测量范围和精度较低、器械兼容性差等问题,难以满足手术机器人器械力觉信息的测量要求。本文面向手术机器人器械的两个关键测量部位——器械腕部和器械末端,系统的研究了基于光纤光栅原理的多维力测量方法,涉及到光纤光栅封装、温度补偿、多维力感知、自解耦测量等关键内容,论文的具体研究工作如下:(1)分析了多维力测量系统的误差因素,结合光纤光栅温度-应变交叉敏感的特点,阐明了光纤光栅温度补偿对多维力测量误差的重要影响。建立了光纤光栅封装与温度补偿效应的理论模型,通过补偿误差的对比实验研究,揭示了光纤光栅温度补偿误差与光栅封装方法、温度变化速率之间的定量关联特性,得出了多维力测量中误差最小的光纤光栅温度补偿方法,为后续的研究提供了理论和技术支撑。(2)提出了一种器械腕部三维力的...
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 手术机器人系统及器械
1.2.2 基于电磁类敏感元件的手术机器人器械多维力测量
1.2.3 基于光纤光栅的器械力觉测量
1.3 现状总结与问题分析
1.4 论文课题来源及主要研究内容
第2章 考虑温度补偿的光纤光栅多维力测量和误差分析
2.1 引言
2.2 光纤光栅传感理论
2.3 多维力测量系统的误差分析
2.4 光纤光栅温度补偿特性分析
2.4.1 光纤光栅封装与温度补偿方式
2.4.2 热应变传递分析
2.4.3 热传导分析
2.5 光纤光栅温度补偿误差对比分析
2.5.1 不同温变速率下的补偿误差研究
2.5.2 温度补偿误差对比
2.6 本章小结
第3章 器械腕部的光纤光栅三维力自解耦测量方法
3.1 引言
3.2 三维力感知弹性体与力学模型
3.3 自解耦的光纤光栅三维力差分测量法
3.3.1 三维力作用下的应变分布特性
3.3.2 光纤光栅布设与差分测量
3.4 三维力传感器的性能测试
3.4.1 标定与结果分析
3.4.2 制造误差耦合的去耦方法
3.4.3 抗蠕变与温度补偿误差
3.5 本章小结
第4章 器械腕部的光纤光栅六维力/力矩低耦合测量方法
4.1 引言
4.2 分层感知的弹性体设计及测量方法
4.3 分层感知的弹性体力学模型解析
4.3.1 力矩测量层力学模型解析
4.3.2 力测量层力学模型解析
4.3.3 多维力/力矩测量矩阵
4.4 传感弹性体荷载响应分析
4.5 六维力/力矩传感器性能测试
4.5.1 六维力/力矩标定
4.5.2 传感器温度补偿性能
4.5.3 传感器动态性能
4.6 本章小结
第5章 器械末端探针的光纤光栅多维力测量方法
5.1 引言
5.2 末端探针的轴向力敏感结构设计方法
5.2.1 轴向刚度和径向刚度的分析与对比
5.2.2 轴向力敏感的结构设计与参数优化
5.3 末端探针的二维力测量方法
5.4 考虑轴向力敏感的末端探针三维力测量方法
5.4.1 轴向力敏感的探针结构设计
5.4.2 三维力测量的波长处理方法
5.4.3 三维力标定与结果分析
5.5 考虑生物相容性的末端探针测量性能
5.6 本章小结
第6章 模拟手术机器人操作的多维力/力矩测量
6.1 引言
6.2 光纤光栅多维力/力矩测量系统
6.3 模拟钝性分离手术的三维力测量
6.4 模拟眼科手术的多维力测量
6.5 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新性成果
7.3 研究工作展望
参考文献
附录1 攻读博士学位期间取得的科研成果
附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目
致谢
本文编号：3785648
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 手术机器人系统及器械
1.2.2 基于电磁类敏感元件的手术机器人器械多维力测量
1.2.3 基于光纤光栅的器械力觉测量
1.3 现状总结与问题分析
1.4 论文课题来源及主要研究内容
第2章 考虑温度补偿的光纤光栅多维力测量和误差分析
2.1 引言
2.2 光纤光栅传感理论
2.3 多维力测量系统的误差分析
2.4 光纤光栅温度补偿特性分析
2.4.1 光纤光栅封装与温度补偿方式
2.4.2 热应变传递分析
2.4.3 热传导分析
2.5 光纤光栅温度补偿误差对比分析
2.5.1 不同温变速率下的补偿误差研究
2.5.2 温度补偿误差对比
2.6 本章小结
第3章 器械腕部的光纤光栅三维力自解耦测量方法
3.1 引言
3.2 三维力感知弹性体与力学模型
3.3 自解耦的光纤光栅三维力差分测量法
3.3.1 三维力作用下的应变分布特性
3.3.2 光纤光栅布设与差分测量
3.4 三维力传感器的性能测试
3.4.1 标定与结果分析
3.4.2 制造误差耦合的去耦方法
3.4.3 抗蠕变与温度补偿误差
3.5 本章小结
第4章 器械腕部的光纤光栅六维力/力矩低耦合测量方法
4.1 引言
4.2 分层感知的弹性体设计及测量方法
4.3 分层感知的弹性体力学模型解析
4.3.1 力矩测量层力学模型解析
4.3.2 力测量层力学模型解析
4.3.3 多维力/力矩测量矩阵
4.4 传感弹性体荷载响应分析
4.5 六维力/力矩传感器性能测试
4.5.1 六维力/力矩标定
4.5.2 传感器温度补偿性能
4.5.3 传感器动态性能
4.6 本章小结
第5章 器械末端探针的光纤光栅多维力测量方法
5.1 引言
5.2 末端探针的轴向力敏感结构设计方法
5.2.1 轴向刚度和径向刚度的分析与对比
5.2.2 轴向力敏感的结构设计与参数优化
5.3 末端探针的二维力测量方法
5.4 考虑轴向力敏感的末端探针三维力测量方法
5.4.1 轴向力敏感的探针结构设计
5.4.2 三维力测量的波长处理方法
5.4.3 三维力标定与结果分析
5.5 考虑生物相容性的末端探针测量性能
5.6 本章小结
第6章 模拟手术机器人操作的多维力/力矩测量
6.1 引言
6.2 光纤光栅多维力/力矩测量系统
6.3 模拟钝性分离手术的三维力测量
6.4 模拟眼科手术的多维力测量
6.5 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新性成果
7.3 研究工作展望
参考文献
附录1 攻读博士学位期间取得的科研成果
附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目
致谢
本文编号：3785648
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