具有力反馈的脊柱手术机器人主从控制研究
发布时间：2021-05-10 09:16
临床中,传统的脊柱手术多采用开放式,对患者带来极大的痛苦且恢复时间较长。为了减轻患者痛苦,基于放射影像的脊柱微创手术应运而生。微创手术为患者带来福音的同时,也对医生提出了更高的要求,增加了手术的风险。将机器人应用于脊柱手术可以发挥机器人精度高、稳定可靠、不易疲劳的优势,是未来的发展方向。机器人向着智能化发展,然而现阶段的机器人尚未具备自主完成复杂任务的能力。人机协作作为另一发展方向,在充分发挥机器人长处、提高效率方面有着举足轻重的地位。具有力反馈功能的主从式机器人具有良好的人机交互性能,结合传感技术还能实现预警和自动停止功能。若将上述优势应用于临床,则可以大大减轻医生的负担,降低手术的风险。机械系统精度是实现主从运动跟随和主手力反馈的基础和前提。文章首先以提高精度为目的,针对课题组自行研制的脊柱手术机器人,分析了主手及从端机器人的定位误差,建立误差模型并进行了仿真验证。借助粒子群算法,对误差模型中的未知量进行辨识,并对误差辨识算法的有效性进行了仿真验证。为实现主从运动跟随,采用了一种基于雅可比映射的增量式控制方法,据此建立主从映射机制,分别求得了主手和从端机器人的雅可比矩阵。对于该映射...
【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】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 脊柱手术机器人研究现状
1.2.2 机器人运动学标定研究现状
1.2.3 主从运动控制研究现状
1.2.4 主从力反馈控制研究现状
1.3 国内外研究现状分析
1.4 主要研究内容
第2章 脊柱手术机器人运动学参数标定
2.1 引言
2.2 机器人运动学误差分析
2.3 脊柱手术机器人运动学误差模型建立
2.3.1 主手运动学误差模型建立
2.3.2 从端机器人运动学误差模型建立
2.4 脊柱手术机器人运动学误差模型仿真验证
2.4.1 主手运动学误差模型仿真验证
2.4.2 从端机器人运动学误差模型仿真验证
2.5 基于粒子群算法的杆件参数辨识
2.6 脊柱手术机器人机构误差参数辨识仿真实验
2.6.1 主手误差参数辨识仿真
2.6.2 从端机器人误差参数辨识仿真
2.7 本章小结
第3章 脊柱手术机器人主从运动控制研究
3.1 引言
3.2 机器人主从运动控制基本原理
3.3 基于雅可比映射的增量控制方法
3.4 脊柱手术机器人雅可比矩阵
3.4.1 主手雅可比矩阵
3.4.2 从端机器人雅可比矩阵
3.5 误差前馈补偿策略与仿真验证
3.5.1 基于神经网络的误差前馈补偿策略
3.5.2 基于神经网络的误差前馈补偿策略仿真验证
3.6 主从跟随误差反馈消除与仿真验证
3.7 本章小结
第4章 主手动力学分析及其力反馈控制
4.1 引言
4.2 主手动力学建模
4.2.1 主手动力学模型简化
4.2.2 主手动力学虚功原理法建模
4.3 主手动力学模型仿真验证与分析
4.4 基于模型的主手重力补偿与力反馈实现
4.5 基于阻抗模型的力反馈控制方法
4.6 模糊变参数阻抗控制
4.6.1 阻抗参数模糊推理规则
4.6.2 基于模糊推理的阻抗参数在线调整
4.6.3 模糊变参数阻抗控制仿真验证
4.7 本章小结
第5章 脊柱手术机器人系统实验验证
5.1 引言
5.2 脊柱手术机器人系统实验平台搭建
5.2.1 脊柱手术机器人硬件系统搭建
5.2.2 脊柱手术机器人软件系统搭建与用户界面设计
5.3 脊柱手术机器人机构误差参数辨识实验
5.3.1 主手误差参数辨识实验
5.3.2 从端机器人误差参数辨识实验
5.4 脊柱手术机器人主从运动控制实验
5.5 主手重力补偿与主从力反馈实验
5.5.1 主手重力补偿实验
5.5.2 主从力反馈实验
5.6 本章小结
结论
参考文献
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]扩展卡尔曼滤波在非线性系统中的应用[J]. 张英坤. 中国科技信息. 2018(07)
[2]求解非线性方程组的加速多步Levenberg-Marquardt算法[J]. 苏晨诚,陈亮. 淮北师范大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]Delta并联机器人机构参数误差分析及标定方法研究[J]. 戴智武,刘超,盛鑫军,张定国. 机电一体化. 2016(03)
[4]RSSS-II脊柱手术机器人系统开发及其实验研究[J]. 靳海洋,邓震,王宇,张朋. 集成技术. 2016(01)
[5]基于腹腔微创手术机器人的主从控制技术研究[J]. 谢琦,潘博,付宜利,王树国. 机器人. 2011(01)
[6]基于旋量理论的关节臂坐标测量机建模及标定[J]. 黄奎,莫健华,付泽民,史玉升. 华中科技大学学报(自然科学版). 2010(04)
[7]机器人运动学标定综述[J]. 王东署,迟健男. 计算机应用研究. 2007(09)
博士论文
[1]脊柱微创手术机器人系统（遥控型）及关键技术研究[D]. 张鹤.第三军医大学 2012
[2]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]主从机械手夹持力感伺服系统控制研究[D]. 陈忠凯.中国科学技术大学 2015
[2]手术机器人力反馈操作装置及算法研究[D]. 姜作飞.东北大学 2014
[3]微创手术机器人力反馈主手设计与仿真[D]. 杨扬.哈尔滨工业大学 2013
[4]用于点对点机器人远距离控制的6自由度力反馈手控器系统的研究[D]. 张珂.北京邮电大学 2013
[5]脊柱导航手术机器人寰枢椎椎弓根双置入实验研究[D]. 朱红鹤.郑州大学 2011
[6]高速并联机械人运动学标定方法研究[D]. 李毅.天津大学 2009
[7]工业机器人运动学标定及误差分析研究[D]. 夏天.上海交通大学 2009
本文编号：3179110
【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】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 脊柱手术机器人研究现状
1.2.2 机器人运动学标定研究现状
1.2.3 主从运动控制研究现状
1.2.4 主从力反馈控制研究现状
1.3 国内外研究现状分析
1.4 主要研究内容
第2章 脊柱手术机器人运动学参数标定
2.1 引言
2.2 机器人运动学误差分析
2.3 脊柱手术机器人运动学误差模型建立
2.3.1 主手运动学误差模型建立
2.3.2 从端机器人运动学误差模型建立
2.4 脊柱手术机器人运动学误差模型仿真验证
2.4.1 主手运动学误差模型仿真验证
2.4.2 从端机器人运动学误差模型仿真验证
2.5 基于粒子群算法的杆件参数辨识
2.6 脊柱手术机器人机构误差参数辨识仿真实验
2.6.1 主手误差参数辨识仿真
2.6.2 从端机器人误差参数辨识仿真
2.7 本章小结
第3章 脊柱手术机器人主从运动控制研究
3.1 引言
3.2 机器人主从运动控制基本原理
3.3 基于雅可比映射的增量控制方法
3.4 脊柱手术机器人雅可比矩阵
3.4.1 主手雅可比矩阵
3.4.2 从端机器人雅可比矩阵
3.5 误差前馈补偿策略与仿真验证
3.5.1 基于神经网络的误差前馈补偿策略
3.5.2 基于神经网络的误差前馈补偿策略仿真验证
3.6 主从跟随误差反馈消除与仿真验证
3.7 本章小结
第4章 主手动力学分析及其力反馈控制
4.1 引言
4.2 主手动力学建模
4.2.1 主手动力学模型简化
4.2.2 主手动力学虚功原理法建模
4.3 主手动力学模型仿真验证与分析
4.4 基于模型的主手重力补偿与力反馈实现
4.5 基于阻抗模型的力反馈控制方法
4.6 模糊变参数阻抗控制
4.6.1 阻抗参数模糊推理规则
4.6.2 基于模糊推理的阻抗参数在线调整
4.6.3 模糊变参数阻抗控制仿真验证
4.7 本章小结
第5章 脊柱手术机器人系统实验验证
5.1 引言
5.2 脊柱手术机器人系统实验平台搭建
5.2.1 脊柱手术机器人硬件系统搭建
5.2.2 脊柱手术机器人软件系统搭建与用户界面设计
5.3 脊柱手术机器人机构误差参数辨识实验
5.3.1 主手误差参数辨识实验
5.3.2 从端机器人误差参数辨识实验
5.4 脊柱手术机器人主从运动控制实验
5.5 主手重力补偿与主从力反馈实验
5.5.1 主手重力补偿实验
5.5.2 主从力反馈实验
5.6 本章小结
结论
参考文献
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]扩展卡尔曼滤波在非线性系统中的应用[J]. 张英坤. 中国科技信息. 2018(07)
[2]求解非线性方程组的加速多步Levenberg-Marquardt算法[J]. 苏晨诚,陈亮. 淮北师范大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]Delta并联机器人机构参数误差分析及标定方法研究[J]. 戴智武,刘超,盛鑫军,张定国. 机电一体化. 2016(03)
[4]RSSS-II脊柱手术机器人系统开发及其实验研究[J]. 靳海洋,邓震,王宇,张朋. 集成技术. 2016(01)
[5]基于腹腔微创手术机器人的主从控制技术研究[J]. 谢琦,潘博,付宜利,王树国. 机器人. 2011(01)
[6]基于旋量理论的关节臂坐标测量机建模及标定[J]. 黄奎,莫健华,付泽民,史玉升. 华中科技大学学报(自然科学版). 2010(04)
[7]机器人运动学标定综述[J]. 王东署,迟健男. 计算机应用研究. 2007(09)
博士论文
[1]脊柱微创手术机器人系统（遥控型）及关键技术研究[D]. 张鹤.第三军医大学 2012
[2]腹腔微创手术机器人系统关键技术研究[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]主从机械手夹持力感伺服系统控制研究[D]. 陈忠凯.中国科学技术大学 2015
[2]手术机器人力反馈操作装置及算法研究[D]. 姜作飞.东北大学 2014
[3]微创手术机器人力反馈主手设计与仿真[D]. 杨扬.哈尔滨工业大学 2013
[4]用于点对点机器人远距离控制的6自由度力反馈手控器系统的研究[D]. 张珂.北京邮电大学 2013
[5]脊柱导航手术机器人寰枢椎椎弓根双置入实验研究[D]. 朱红鹤.郑州大学 2011
[6]高速并联机械人运动学标定方法研究[D]. 李毅.天津大学 2009
[7]工业机器人运动学标定及误差分析研究[D]. 夏天.上海交通大学 2009
本文编号：3179110
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