微创手术机器人实时系统构建与主从控制策略

发布时间：2017-09-22 00:21

  本文关键词：微创手术机器人实时系统构建与主从控制策略

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【摘要】：微创手术具有创面小、痛感轻和术后恢复时间短等优点,得到了广泛的临床应用。但也存在手眼不协调、灵活性不足等问题。由机器人技术与微创技术结合的微创手术机器人系统能够克服这些缺陷,显著地提高手术效率与效果。于临床中应用微创手术机器人系统,对系统的实时性和安全性要求很高。而且手术机器人系统需要实现手术器械跟随医生手部以相同的趋势运动,使得医生能够手眼协调操作。本文基于QNX系统构建了微创手术机器人的软硬件框架,并研究了内窥镜视野下基于笛卡尔空间的主从一致性增量控制策略,从而构建了完整的控制系统。进行了多种实验,检验其实时性能和控制策略的有效性。采用分布式I/O与处理的控制系统结构,确保系统各部分的实时性能能够满足系统整体的需要。将QNX系统移植到上位机中,并搭建起各部分之间的通信网络。然后按照层级结构设计应用软件系统,根据功能划分任务,确定实时性任务的结构和优先级。然后分析了系统的实时性能,结果表明系统实时性能优秀。针对机器人主从异构的特点,研究了内窥镜视野下基于笛卡尔空间的主从一致性增量控制策略。构建了机械臂D-H参数模型,并根据机械臂的结构特点,求出了机械臂的逆运动学解析解。研究了内窥镜视野下的主从映射方法,并采用视觉测量技术快速准确地测出机械臂之间的姿态关系。为了提升系统的使用性能,开发了主从术中调整、主手抖动滤除和操作安全限制等主从控制功能。针对所构建的控制系统开展了实时性能比较实验、主从控制实验和活体动物实验。实验结果表明,从手机械臂能够快速及时地跟随主操作手运动,具有良好的实时性能;控制系统能够使得操作者手眼协调、直觉地完成各种手术操作;主从控制功能提高了机器人系统的稳定性、灵活性和安全性。实验的开展也为微创手术机器人在临床中应用奠定了坚实的基础。
【关键词】：微创手术机器人 实时性能 主从控制 QNX系统
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH777
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题研究背景及意义9-11
• 1.3 国内外研究现状11-17
• 1.3.1 国外研究现状11-14
• 1.3.2 国内研究现状14-16
• 1.3.3 国内外研究现状简析16-17
• 1.4 主要研究内容17-19
• 第2章 基于QNX的实时控制系统构建19-37
• 2.1 控制系统结构设计19-23
• 2.1.1 控制系统结构确定19-20
• 2.1.2 控制系统结构实现方案20-23
• 2.2 基于QNX的硬件系统构建23-28
• 2.2.1 QNX系统裁剪和移植24-26
• 2.2.2 控制系统通信网络构建26-28
• 2.3 基于QNX的软件系统构建28-35
• 2.3.1 软件系统层级结构设计28-29
• 2.3.2 任务划分与优先级分配29-32
• 2.3.3 任务循环结构与任务间通讯32-35
• 2.4 控制系统实时性能分析35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 主从控制策略与方法研究37-58
• 3.1 主从控制策略37-39
• 3.1.1 微创手术机器人结构配置介绍37-38
• 3.1.2 笛卡尔空间内的增量控制策略38-39
• 3.2 从手机械臂运动学求解39-44
• 3.2.1 从手机械臂运动学正解39-41
• 3.2.2 从手机械臂运动学逆解41-44
• 3.3 主从一致性映射方法44-50
• 3.3.1 内窥镜视野下主从一致性映射方法44-46
• 3.3.2 机械臂间姿态角视觉测量46-50
• 3.4 主从控制功能实现50-57
• 3.4.1 主从术中调整50-52
• 3.4.2 主手抖动滤除52-54
• 3.4.3 操作安全限制54-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 微创手术机器人实验研究58-69
• 4.1 微创手术机器人系统集成58-60
• 4.2 控制系统实时性能对比实验60-64
• 4.2.1 运行时间对比实验61-62
• 4.2.2 延迟时间对比实验62-64
• 4.3 基于QNX系统的主从控制实验64-66
• 4.3.1 主从轨迹对比实验64-65
• 4.3.2 抓取和套圈实验65-66
• 4.4 活体动物实验66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果75-77
• 致谢77

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本文编号：897718