腹腔微创手术机器人远心机构设计及其视觉伺服控制
发布时间：2021-05-19 07:45
近年来,随着机器人技术的飞速发展,机器人已经开始在微创手术领域得到应用。由机器人辅助的微创手术,不仅可以提高手术的操作精度,使之前无法实施的手术有了实施的可能,还可以减少因人为因素造成的手术失败的风险,减轻医生的体力劳动,加快患者康复的速度。目前针对机器人辅助腹腔微创手术,各大研究机构均有较多的研究和成果。在微创手术机器人系统中,机器人需要具备夹持内窥镜、手术钳等手术器械并将它们的摆动支点定位在手术切口的功能,而远心机构便可以很好地实现这一功能。本文便是在这一需求下对远心机构进行了研究。本文首先设计了远心机构的结构。设计基于实际的腹腔微创手术要求,为了增大远心机构的运动空间而不使机构本身占用的空间过大,本文在查阅了目前常见的远心机构的构型后,选择了一种弧形结构进行改进,实现了行程倍增的效果,这种结构较之于目前现有的结构有所创新。之后使用3D建模软件进行了整体机构的三维建模。本文对所设计的远心机构进行了运动学和力学分析。在运动学分析中,本文采用D-H法,建立了机构的关节坐标系,得出关节的D-H参数后推导出了正向运动学的变换矩阵以及仿真了机构的工作空间范围,另外计算了运动学反解,并使用虚功...
【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】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 微创手术机器人远心机构研究现状
1.3 机器人视觉伺服研究现状
1.4 本文研究的主要内容
第2章 远心机构的结构设计
2.1 引言
2.2 腹腔微创手术工作要求分析
2.3 远心机构的结构方案选取
2.4 远心机构的设计与建模
2.4.1 回转关节设计
2.4.2 摆动关节设计
2.4.3 移动关节设计
2.5 本章小结
第3章 远心机构的运动学和力学分析
3.1 引言
3.2 远心机构正运动学分析
3.2.1 关节坐标系的建立
3.2.2 正运动学分析
3.2.3 工作空间分析
3.2.4 远心机构的速度分析
3.3 远心机构逆运动学分析
3.4 远心机构静力学分析
3.5 本章小结
第4章 远心机构的视觉伺服控制
4.1 引言
4.2 远心机构的视觉伺服控制方案
4.2.1 基于机器人运动学的视觉伺服系统
4.2.2 基于无标定相机的自适应控制方法
4.3 相机模型及其不确定性分析
4.3.1 相机针孔成像模型
4.3.2 相机模型的不确定性
4.4 远心机构的投影透射矩阵估计
4.4.1 透射投影矩阵的预处理
4.4.2 透射投影矩阵的自适应估计
4.5 基于运动学的视觉伺服控制器设计
4.5.1 图像特征矢量提取
4.5.2 图像雅克比矩阵的计算
4.5.3 视觉伺服控制器设计
4.5.4 系统稳定性分析
4.6 本章小结
第5章 远心机构的实验研究
5.1 引言
5.2 实验系统介绍
5.3 远心机构功能实验
5.4 图像前期处理
5.4.1 图像特征提取
5.4.2 图像远心点坐标的计算
5.5 透射投影矩阵的估计
5.6 透射投影矩阵误差分析实验
5.7 无标定视觉伺服实验
5.8 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
申请及已获得的专利
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]腹腔镜在普外急腹症诊断与治疗中的应用[J]. 孟海港. 临床医药文献电子杂志. 2016(01)
[2]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)
[3]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
[4]机器人视觉伺服研究综述[J]. 方勇纯. 智能系统学报. 2008(02)
[5]基于图像特征的运动目标识别与伺服跟踪[J]. 刘宏鼎,秦世引. 仪器仪表学报. 2008(03)
[6]机器人视觉伺服控制及应用研究的现状[J]. 黎志刚,段锁林,赵建英,毕友明. 太原科技大学学报. 2007(01)
[7]机器人视觉伺服研究进展[J]. 王麟琨,徐德,谭民. 机器人. 2004(03)
博士论文
[1]微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D]. 李建民.天津大学 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
[3]机械手无标定动态视觉伺服研究[D]. 梁新武.华中科技大学 2011
[4]机器人无标定视觉伺服关键技术的研究[D]. 李牧.哈尔滨工业大学 2008
[5]机器人无标定视觉伺服控制系统研究[D]. 辛菁.西安理工大学 2007
硕士论文
[1]鼻内镜手术辅助机器人系统设计研发[D]. 侯西龙.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于丝传动结构的微创手术工具设计与实验研究[D]. 张健.天津大学 2014
[3]微创手术机器人远心定位机构设计与优化[D]. 赵凯.哈尔滨工业大学 2013
[4]腹胸腔微创手术机器人远心机构设计分析与阻力补偿研究[D]. 刘潇.哈尔滨工业大学 2013
[5]腹腔微创手术机器人手术器械研究[D]. 曹校铭.哈尔滨工业大学 2011
[6]腹腔微创手术机器人控制系统设计与实现[D]. 董健.哈尔滨工业大学 2010
[7]机器人图像雅可比矩阵在线估计算法研究[D]. 张捷.西安理工大学 2010
[8]腹腔微创手术机器人从手系统设计与分析[D]. 王恒之.哈尔滨工业大学 2009
[9]机械臂视觉伺服系统的研究[D]. 段彦婷.哈尔滨工业大学 2008
[10]腹腔手术机器人末端执行机构的设计和实现[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3195405
【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】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 微创手术机器人远心机构研究现状
1.3 机器人视觉伺服研究现状
1.4 本文研究的主要内容
第2章 远心机构的结构设计
2.1 引言
2.2 腹腔微创手术工作要求分析
2.3 远心机构的结构方案选取
2.4 远心机构的设计与建模
2.4.1 回转关节设计
2.4.2 摆动关节设计
2.4.3 移动关节设计
2.5 本章小结
第3章 远心机构的运动学和力学分析
3.1 引言
3.2 远心机构正运动学分析
3.2.1 关节坐标系的建立
3.2.2 正运动学分析
3.2.3 工作空间分析
3.2.4 远心机构的速度分析
3.3 远心机构逆运动学分析
3.4 远心机构静力学分析
3.5 本章小结
第4章 远心机构的视觉伺服控制
4.1 引言
4.2 远心机构的视觉伺服控制方案
4.2.1 基于机器人运动学的视觉伺服系统
4.2.2 基于无标定相机的自适应控制方法
4.3 相机模型及其不确定性分析
4.3.1 相机针孔成像模型
4.3.2 相机模型的不确定性
4.4 远心机构的投影透射矩阵估计
4.4.1 透射投影矩阵的预处理
4.4.2 透射投影矩阵的自适应估计
4.5 基于运动学的视觉伺服控制器设计
4.5.1 图像特征矢量提取
4.5.2 图像雅克比矩阵的计算
4.5.3 视觉伺服控制器设计
4.5.4 系统稳定性分析
4.6 本章小结
第5章 远心机构的实验研究
5.1 引言
5.2 实验系统介绍
5.3 远心机构功能实验
5.4 图像前期处理
5.4.1 图像特征提取
5.4.2 图像远心点坐标的计算
5.5 透射投影矩阵的估计
5.6 透射投影矩阵误差分析实验
5.7 无标定视觉伺服实验
5.8 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
申请及已获得的专利
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]腹腔镜在普外急腹症诊断与治疗中的应用[J]. 孟海港. 临床医药文献电子杂志. 2016(01)
[2]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)
[3]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
[4]机器人视觉伺服研究综述[J]. 方勇纯. 智能系统学报. 2008(02)
[5]基于图像特征的运动目标识别与伺服跟踪[J]. 刘宏鼎,秦世引. 仪器仪表学报. 2008(03)
[6]机器人视觉伺服控制及应用研究的现状[J]. 黎志刚,段锁林,赵建英,毕友明. 太原科技大学学报. 2007(01)
[7]机器人视觉伺服研究进展[J]. 王麟琨,徐德,谭民. 机器人. 2004(03)
博士论文
[1]微创机器人机构设计方法与主从映射策略研究[D]. 李建民.天津大学 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
[3]机械手无标定动态视觉伺服研究[D]. 梁新武.华中科技大学 2011
[4]机器人无标定视觉伺服关键技术的研究[D]. 李牧.哈尔滨工业大学 2008
[5]机器人无标定视觉伺服控制系统研究[D]. 辛菁.西安理工大学 2007
硕士论文
[1]鼻内镜手术辅助机器人系统设计研发[D]. 侯西龙.哈尔滨工业大学 2015
[2]基于丝传动结构的微创手术工具设计与实验研究[D]. 张健.天津大学 2014
[3]微创手术机器人远心定位机构设计与优化[D]. 赵凯.哈尔滨工业大学 2013
[4]腹胸腔微创手术机器人远心机构设计分析与阻力补偿研究[D]. 刘潇.哈尔滨工业大学 2013
[5]腹腔微创手术机器人手术器械研究[D]. 曹校铭.哈尔滨工业大学 2011
[6]腹腔微创手术机器人控制系统设计与实现[D]. 董健.哈尔滨工业大学 2010
[7]机器人图像雅可比矩阵在线估计算法研究[D]. 张捷.西安理工大学 2010
[8]腹腔微创手术机器人从手系统设计与分析[D]. 王恒之.哈尔滨工业大学 2009
[9]机械臂视觉伺服系统的研究[D]. 段彦婷.哈尔滨工业大学 2008
[10]腹腔手术机器人末端执行机构的设计和实现[D]. 冯美.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3195405
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