具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统研究
发布时间：2021-04-26 13:55
传统微创手术机器人训练系统在工作时一般将尸体或动物作为手术的操作对象,成本高昂;除此之外,现有系统也存在着诸如力反馈信息缺失,操作精度有限,真实性与沉浸感不足等问题。因此本文将搭建一套具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统来解决上述问题。首先对具有力反馈的半实物环境中的相关技术进行研究。利用AR（Augmented Reality,AR）技术将虚拟的手术操作对象（虚拟软组织）融合进现实世界中实现虚实融合。为实现虚拟软组织与真实从端远心机构间的交互,本文还分别将对虚实交互策略及碰撞检测算法进行研究。建立软组织的力学模型以描述其形变与反馈力间的关系。其次,建立主端的力反馈控制系统。首先对主操作手的运动学及动力学进行分析。然后对主端的力反馈控制系统进行分析,明确系统对力控制器的要求。依据相关要求设计变论域模糊PID控制器,改善PID参数在线自整定能力,提高反馈力的跟踪精度及系统动态性能。针对不同的输入信号进行仿真实验。为改善系统从端的操作精度,对从端的位置控制器进行设计。建立从端远心机构的运动学及动力学模型,设计传统的位置跟踪滑模控制器,尽管该控制器具有较高的控制精度,但其在控制过程中会产生较...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 微创手术机器人及其训练系统研究现状分析
1.3 AR技术研究现状分析
1.4 主从控制研究现状分析
1.5 本文的主要研究内容
第2章 具有力反馈的半实物环境研究
2.1 引言
2.2 具有力反馈的半实物仿真系统分析
2.3 虚实融合的实现
2.4 虚实交互研究
2.4.1 虚实交互策略
2.4.2 虚实碰撞检测
2.5 软组织力学模型的建立
2.6 本章小结
第3章 主端力反馈控制系统的研究
3.1 引言
3.2 主操作手运动学分析及动力学建模
3.2.1 主操作手运动学分析
3.2.2 主操作手动力学方程的构建
3.3 主端力反馈控制系统的建模
3.4 变论域模糊PID控制
3.4.1 模糊控制理论
3.4.2 模糊PID控制器的设计
3.4.3 变论域模糊PID控制器的设计
3.5 仿真实验
3.6 本章小结
第4章 从端位置控制系统的研究
4.1 引言
4.2 远心机构运动学分析及动力学建模
4.2.1 远心机构运动学分析
4.2.2 远心机构动力学建模
4.3 自适应模糊滑模控制
4.3.1 滑模控制器的设计
4.3.2 自适应模糊滑模控制器的设计
4.4 仿真实验
4.5 本章小结
第5章 具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统实验验证
5.1 引言
5.2 实验系统的搭建
5.2.1 总体结构
5.2.2 相机的标定
5.2.3 主操作手子系统
5.3 虚实碰撞检测及力学模型验证实验
5.4 主端力反馈实验
5.4.1 压力传感器标定
5.4.2 静态实验
5.4.3 动态性能实验
5.5 远心机构位置跟踪实验
5.6 系统性能实验
5.7 本章小结
结论
参考文献
附录 从端远心机构动力学求解结果
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Augmented reality technology for preoperative planning and intraoperative navigation during hepatobiliary surgery: A review of current methods[J]. Rui Tang,Long-Fei Ma,Zhi-Xia Rong,Mo-Dan Li,Jian-Ping Zeng,Xue-Dong Wang,Hong-En Liao,Jia-Hong Dong. Hepatobiliary & Pancreatic Diseases International. 2018(02)
[2]增强现实的实际应用研究[J]. 刘雨萱,李少峰,昌晨骋. 福建质量管理. 2016(04)
[3]基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真[J]. 王沫楠,王成友,刘雨铭,李召. 系统仿真学报. 2015(04)
[4]挠性航天器姿态机动的变论域自整定模糊PID控制[J]. 魏凤美,赵育善,师鹏. 中国空间科学技术. 2014(06)
[5]达芬奇手术机器人系统在泌尿外科的临床应用及其评价[J]. 陈光富,王希友,张旭. 微创泌尿外科杂志. 2013(04)
[6]基于Sphere和OBB混合的碰撞检测算法[J]. 文卫蔚,范利君,白云菲. 软件. 2011(05)
[7]基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 王述彦,师宇,冯忠绪. 机械科学与技术. 2011(01)
[8]变论域模糊PID控制器的设计与仿真[J]. 杨鲜鲜,宁铎. 化工自动化及仪表. 2010(04)
[9]基于OBB包围盒的碰撞检测研究与应用[J]. 王伟,马峻,刘伟. 计算机仿真. 2009(09)
[10]虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J]. 吴奇,程薇曦. 重庆医学. 2008(21)
硕士论文
[1]一种欠驱动机械手设计及抓取规划研究[D]. 赵思宇.哈尔滨工业大学 2017
[2]主从介入操作导管机器人系统力反馈模糊控制研究[D]. 任成一.沈阳工业大学 2015
[3]基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究[D]. 蔡进.上海工程技术大学 2015
[4]虚拟手术中力反馈的研究与实现[D]. 王瑞艺.华北水利水电大学 2014
[5]具有力感的针灸操作仿真系统研究[D]. 王腾飞.天津大学 2014
[6]三维场景中碰撞检测技术的研究[D]. 崔娜.燕山大学 2013
[7]力反馈型主操作手设计及其控制策略研究[D]. 张林安.天津大学 2010
[8]虚拟手术力反馈人机交互控制系统研究[D]. 王莉娟.上海交通大学 2010
[9]机器人辅助微创心脏外科手术导航及视觉定位的研究[D]. 胡天策.上海交通大学 2008
本文编号：3161531
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 微创手术机器人及其训练系统研究现状分析
1.3 AR技术研究现状分析
1.4 主从控制研究现状分析
1.5 本文的主要研究内容
第2章 具有力反馈的半实物环境研究
2.1 引言
2.2 具有力反馈的半实物仿真系统分析
2.3 虚实融合的实现
2.4 虚实交互研究
2.4.1 虚实交互策略
2.4.2 虚实碰撞检测
2.5 软组织力学模型的建立
2.6 本章小结
第3章 主端力反馈控制系统的研究
3.1 引言
3.2 主操作手运动学分析及动力学建模
3.2.1 主操作手运动学分析
3.2.2 主操作手动力学方程的构建
3.3 主端力反馈控制系统的建模
3.4 变论域模糊PID控制
3.4.1 模糊控制理论
3.4.2 模糊PID控制器的设计
3.4.3 变论域模糊PID控制器的设计
3.5 仿真实验
3.6 本章小结
第4章 从端位置控制系统的研究
4.1 引言
4.2 远心机构运动学分析及动力学建模
4.2.1 远心机构运动学分析
4.2.2 远心机构动力学建模
4.3 自适应模糊滑模控制
4.3.1 滑模控制器的设计
4.3.2 自适应模糊滑模控制器的设计
4.4 仿真实验
4.5 本章小结
第5章 具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统实验验证
5.1 引言
5.2 实验系统的搭建
5.2.1 总体结构
5.2.2 相机的标定
5.2.3 主操作手子系统
5.3 虚实碰撞检测及力学模型验证实验
5.4 主端力反馈实验
5.4.1 压力传感器标定
5.4.2 静态实验
5.4.3 动态性能实验
5.5 远心机构位置跟踪实验
5.6 系统性能实验
5.7 本章小结
结论
参考文献
附录 从端远心机构动力学求解结果
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Augmented reality technology for preoperative planning and intraoperative navigation during hepatobiliary surgery: A review of current methods[J]. Rui Tang,Long-Fei Ma,Zhi-Xia Rong,Mo-Dan Li,Jian-Ping Zeng,Xue-Dong Wang,Hong-En Liao,Jia-Hong Dong. Hepatobiliary & Pancreatic Diseases International. 2018(02)
[2]增强现实的实际应用研究[J]. 刘雨萱,李少峰,昌晨骋. 福建质量管理. 2016(04)
[3]基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真[J]. 王沫楠,王成友,刘雨铭,李召. 系统仿真学报. 2015(04)
[4]挠性航天器姿态机动的变论域自整定模糊PID控制[J]. 魏凤美,赵育善,师鹏. 中国空间科学技术. 2014(06)
[5]达芬奇手术机器人系统在泌尿外科的临床应用及其评价[J]. 陈光富,王希友,张旭. 微创泌尿外科杂志. 2013(04)
[6]基于Sphere和OBB混合的碰撞检测算法[J]. 文卫蔚,范利君,白云菲. 软件. 2011(05)
[7]基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 王述彦,师宇,冯忠绪. 机械科学与技术. 2011(01)
[8]变论域模糊PID控制器的设计与仿真[J]. 杨鲜鲜,宁铎. 化工自动化及仪表. 2010(04)
[9]基于OBB包围盒的碰撞检测研究与应用[J]. 王伟,马峻,刘伟. 计算机仿真. 2009(09)
[10]虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J]. 吴奇,程薇曦. 重庆医学. 2008(21)
硕士论文
[1]一种欠驱动机械手设计及抓取规划研究[D]. 赵思宇.哈尔滨工业大学 2017
[2]主从介入操作导管机器人系统力反馈模糊控制研究[D]. 任成一.沈阳工业大学 2015
[3]基于绳牵引并联机构的微创手术器械研究[D]. 蔡进.上海工程技术大学 2015
[4]虚拟手术中力反馈的研究与实现[D]. 王瑞艺.华北水利水电大学 2014
[5]具有力感的针灸操作仿真系统研究[D]. 王腾飞.天津大学 2014
[6]三维场景中碰撞检测技术的研究[D]. 崔娜.燕山大学 2013
[7]力反馈型主操作手设计及其控制策略研究[D]. 张林安.天津大学 2010
[8]虚拟手术力反馈人机交互控制系统研究[D]. 王莉娟.上海交通大学 2010
[9]机器人辅助微创心脏外科手术导航及视觉定位的研究[D]. 胡天策.上海交通大学 2008
本文编号：3161531
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3161531.html
