基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人控制研究
发布时间：2022-09-21 17:25
随着科学技术的发展,遥操作机器人在医疗领域具有广泛的应用前景。但是基于网络的遥操作手术机器人也面临着一些挑战,网络传输时延的存在会影响遥操作系统的稳定性和临场感。因此,本文研究了基于虚拟仿真预测的主从遥操作手术机器人系统,通过在主端控制平台建立一个虚拟手术仿真系统,有效地解决了遥操作系统因为时延而导致的不稳定问题,同时使得医生在主端控制平台上能够实时看到并感受到从端手术器械与组织的交互,提高医生的临场感。首先,主端控制平台搭建一个虚拟手术仿真系统,建立组织和手术器械的仿真模型。当医生在主端操控触觉机械臂进行手术时,虚拟手术仿真系统能够模拟仿真出从端手术器械与组织的交互场景,并计算出相应的交互力,通过触觉机械臂作用在医生手上,有效地解决了时延导致的遥操作手术机器人不稳定的问题。其次,由于虚拟手术仿真系统自身亦存在不稳定问题,本文设计了一种基于无源理论的能量限制力反馈控制算法来保证虚拟手术交互过程的稳定性,并通过实验证明该算法能够保证系统稳定,且使系统具有较理想的力反馈逼真度。由于软组织力触觉模型存在着个体互异性,在手术前只能得到某种组织通用的力触觉模型,因此相应的模型可能不准确。为了能够...
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 课题来源
1.3 课题研究的国内外研究现状
1.3.1 手术机器人研究现状
1.3.2 有时延主从遥操作机器人稳定控制算法研究现状
1.3.3 虚拟手术仿真系统力反馈稳定性研究现状
1.4 本文主要研究内容
1.5 论文组织结构
第2章 基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人系统
2.1 引言
2.2 基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人系统总体构成
2.3 主端控制平台
2.3.1 虚拟手术仿真系统
2.3.2 触觉机械臂
2.4 从端手术机器人
2.5 本章小结
第3章 虚拟手术仿真系统
3.1 引言
3.2 虚拟手术仿真系统搭建
3.2.1 几何建模
3.2.2 碰撞检测
3.2.3 基于模型参数辨识的虚拟力
3.3 虚拟手术仿真系统稳定控制算法
3.3.1 基于无源理论的能量限制力反馈控制算法
3.3.2 基于无源理论的能量限制力反馈控制算法实验及结果分析
3.4 本章小结
第4章 基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人控制算法
4.1 引言
4.2 遥操作手术机器人PID轨迹跟踪控制算法
4.3 虚拟组织的力触觉模型在线修正算法
4.3.1 力触觉模型误差产生原因
4.3.2 力触觉模型在线修正算法
4.4 本章小结
第5章 基于虚拟仿真预测的遥操作实验及其结果分析
5.1 引言
5.2 有无虚拟仿真预测的遥操作手术实验及其结果对比分析
5.2.1 无时延的遥操作手术实验
5.2.2 时变时延的遥操作手术实验
5.3 力触觉模型在线修正实验及其结果分析
5.4 本章小结
第6章 全文总结和展望
6.1 全文总结
6.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]国产神经外科医疗机器人Remebot治疗高血压性脑出血[J]. 赵全军,刘达,王涛,刘文鹏,赵德朋,王伟,刘军华,崔绍杰,顾建文. 中国微侵袭神经外科杂志. 2017(07)
[2]达芬奇机器人手术系统——原理、系统组成及应用[J]. 张伟. 中国医疗器械信息. 2015(03)
[3]胶囊内窥镜在肠道中的钳位[J]. 陈雯雯,颜国正,贺术,柯全. 光学精密工程. 2013(06)
[4]腹腔微创手术机器人主从控制技术与实验[J]. 潘博,付宜利,冯美,王树国,徐殿国. 机器人. 2012(06)
[5]CT与C型臂辅助遥控型脊柱微创手术机器人系统打孔可靠性研究[J]. 张鹤,王洪伟,韩建达,赵忆文,周跃. 第三军医大学学报. 2012(13)
[6]微创血管介入手术机器人控制系统与零位定位装置设计[J]. 段星光,陈悦,于华涛. 机器人. 2012(02)
[7]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[8]遥操作机器人的新型力反馈算法[J]. 侯敬巍,赵丁选,巩明德,崔玉鑫. 计算机应用研究. 2011(05)
[9]一种提高基于线绳的力反馈设备显示阻抗范围的方法[J]. 林理平,吴平东,黄杰,李建. 机器人. 2010(05)
[10]基于环境刚度模糊自适应估计的机器人力控制[J]. 李战明,李二超,李炜. 工业仪表与自动化装置. 2010(04)
博士论文
[1]空间机器人地面遥操作的关键技术研究[D]. 徐效农.东南大学 2017
[2]微创腹腔外科手术机器人执行系统研制及其控制算法研究[D]. 马如奇.哈尔滨工业大学 2013
[3]基于滑模理论的位置系统控制及摩擦力补偿[D]. 郁明.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]虚拟手术系统的搭建和力反馈算法研究[D]. 何声星.南昌大学 2017
[2]基于单电机的腹腔内微型手术机器人[D]. 张政.上海交通大学 2015
[3]基于力觉修正的遥操作技术研究[D]. 周建武.华中科技大学 2012
[4]基于虚拟现实的力反馈系统建模及稳定性研究[D]. 杜荣辉.燕山大学 2011
本文编号：3680360
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 课题来源
1.3 课题研究的国内外研究现状
1.3.1 手术机器人研究现状
1.3.2 有时延主从遥操作机器人稳定控制算法研究现状
1.3.3 虚拟手术仿真系统力反馈稳定性研究现状
1.4 本文主要研究内容
1.5 论文组织结构
第2章 基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人系统
2.1 引言
2.2 基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人系统总体构成
2.3 主端控制平台
2.3.1 虚拟手术仿真系统
2.3.2 触觉机械臂
2.4 从端手术机器人
2.5 本章小结
第3章 虚拟手术仿真系统
3.1 引言
3.2 虚拟手术仿真系统搭建
3.2.1 几何建模
3.2.2 碰撞检测
3.2.3 基于模型参数辨识的虚拟力
3.3 虚拟手术仿真系统稳定控制算法
3.3.1 基于无源理论的能量限制力反馈控制算法
3.3.2 基于无源理论的能量限制力反馈控制算法实验及结果分析
3.4 本章小结
第4章 基于虚拟仿真预测的遥操作手术机器人控制算法
4.1 引言
4.2 遥操作手术机器人PID轨迹跟踪控制算法
4.3 虚拟组织的力触觉模型在线修正算法
4.3.1 力触觉模型误差产生原因
4.3.2 力触觉模型在线修正算法
4.4 本章小结
第5章 基于虚拟仿真预测的遥操作实验及其结果分析
5.1 引言
5.2 有无虚拟仿真预测的遥操作手术实验及其结果对比分析
5.2.1 无时延的遥操作手术实验
5.2.2 时变时延的遥操作手术实验
5.3 力触觉模型在线修正实验及其结果分析
5.4 本章小结
第6章 全文总结和展望
6.1 全文总结
6.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]国产神经外科医疗机器人Remebot治疗高血压性脑出血[J]. 赵全军,刘达,王涛,刘文鹏,赵德朋,王伟,刘军华,崔绍杰,顾建文. 中国微侵袭神经外科杂志. 2017(07)
[2]达芬奇机器人手术系统——原理、系统组成及应用[J]. 张伟. 中国医疗器械信息. 2015(03)
[3]胶囊内窥镜在肠道中的钳位[J]. 陈雯雯,颜国正,贺术,柯全. 光学精密工程. 2013(06)
[4]腹腔微创手术机器人主从控制技术与实验[J]. 潘博,付宜利,冯美,王树国,徐殿国. 机器人. 2012(06)
[5]CT与C型臂辅助遥控型脊柱微创手术机器人系统打孔可靠性研究[J]. 张鹤,王洪伟,韩建达,赵忆文,周跃. 第三军医大学学报. 2012(13)
[6]微创血管介入手术机器人控制系统与零位定位装置设计[J]. 段星光,陈悦,于华涛. 机器人. 2012(02)
[7]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民. 机器人技术与应用. 2011(04)
[8]遥操作机器人的新型力反馈算法[J]. 侯敬巍,赵丁选,巩明德,崔玉鑫. 计算机应用研究. 2011(05)
[9]一种提高基于线绳的力反馈设备显示阻抗范围的方法[J]. 林理平,吴平东,黄杰,李建. 机器人. 2010(05)
[10]基于环境刚度模糊自适应估计的机器人力控制[J]. 李战明,李二超,李炜. 工业仪表与自动化装置. 2010(04)
博士论文
[1]空间机器人地面遥操作的关键技术研究[D]. 徐效农.东南大学 2017
[2]微创腹腔外科手术机器人执行系统研制及其控制算法研究[D]. 马如奇.哈尔滨工业大学 2013
[3]基于滑模理论的位置系统控制及摩擦力补偿[D]. 郁明.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]虚拟手术系统的搭建和力反馈算法研究[D]. 何声星.南昌大学 2017
[2]基于单电机的腹腔内微型手术机器人[D]. 张政.上海交通大学 2015
[3]基于力觉修正的遥操作技术研究[D]. 周建武.华中科技大学 2012
[4]基于虚拟现实的力反馈系统建模及稳定性研究[D]. 杜荣辉.燕山大学 2011
本文编号：3680360
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