基于超声影像的连续型机器人的形状感知与末端估计
发布时间：2021-06-12 03:29
微创手术是现代医学外科手术发展的一个重要方向。由于连续型机器人能够在复杂窄小的体内灵活操作,满足微创手术的要求,所以备受研究者青睐。为了能够准确地检测体内机器人,结合超声无辐射,实时性好且相对便宜的优势,引入超声影像技术作为视觉反馈。本文提出一种基于二维截面超声影像对两类连续型机器人进行检测的方法,一类是无预测模型的连续型机器人,另一类是有预测模型的连续型机器人。通过搭建光学机械臂超声诊断系统,准确地对仿体内的连续型机器人进行空间定位。该系统能够自主地采集数据,通过超声图像处理和坐标转换,实现连续型机器人的识别、定位和跟踪,结合曲线拟合的方法,完成形状重建和末端估计。根据现阶段连续型机器人超声图像感知算法,利用金属对超声波的高敏感度以及上表面优先反射致使上表面超声图像像素值较高的原理,提出了一种适用于小范围精确定位的超声图像处理算法,即直方图法。本文分别针对这两类机器人进行了形状重建和末端估计实验,其中,穿刺针代表无预测模型的机器人,同心管代表有预测模型的机器人。在穿刺针的实验中,本课题利用二值化法完成机器人初步定位,然后使用卡尔曼滤波算法跟踪连续型机器人,最后利用采集得到的数据,使用...
【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】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DaVinci机器人末端位置的信息在微创外科手术中有着十分重要的作用和意义
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2015年，来自新泽西州立大学的AlvinChen和Medtronic公司的MaxBalter研发出了一种静脉穿刺机器人，以减少人工静脉穿刺的不确定性和失败率[13]。如图1-3所示，该机器人有7个自由度，搭配红外线和超声成像仪，能够实时地检测穿刺针在体内的情况。这款机器人拥有三维的机架和四维的小型机械臂。机架可以显示被检测者前臂周围的静脉，而机械臂主要用于控制穿刺针在图像引导下插入静脉，完成药物注射或者血液采样。图1-3静脉穿刺机器人[13]其他连续型机器人，相较于穿刺针，末端执行器结构相对复杂，而基本的运动学模型仍然有研究的价值。波士顿大学的PatrickSears和PierreDupont提出了同心管连续型机器人的运动学模型（如图1-4a)所示）[14,15]。随后搭建了实验平台（如图1-4b)所示）[10]，他们利用之前提出的正逆运动学模型以及PID控制算法，并对同心管机器人进行了运动控制，验证了同心管机器人的正运动模型的准确性，同时指出其逆运动学模型仍存在误差。a)同心管机器人的运动学模型[14]b)同心管机器人实验平台[15]图1-4同心管机器人运动学模型和实验平台模型建立有了初步成果之后，Webster[16]和RanXu[17]分别对同心管机器人的控制算法进行了研究，提出了一个根据矫正雅克比方法去实现同心管机器人的位-4-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文置控制的算法。在得到良好的控制算法之后，RRT[18]、RRT*[19]、RRM[20]、神经网络[21]等算法也逐步应用在了同心管机器人的路径规划上，确保同心管在人体狭小腔道或体内躲避障碍，减小对人体其他器官的伤害。1.3.1.2连续型机器人的跟踪根据连续型机器人的特点，我们可以把它们分为两种，一种是无法根据正运动学得到先验模型的，如穿刺针机器人，另一种是可以根据正运动学推导出先验模型，如同心管机器人。在现有的医疗检测条件下，能够完成对连续型手术机器人感知的比较常见的检测方式主要有CT、X光、MRI、磁定位和超声扫描仪[22]。Lobaton团队提出了一种新的方法，在医疗过程中使用少量的x射线投影图像连续准确地重建机器人的形状（如图1-5所示）[23]。他们使用机器人的运动学模型，从一组X射线图像中提取的数据，建立形状和时间的函数，同时利用先验知识和数值优化的方法来选择最佳的相机配置，从而最小化形状估计的期望误差。图1-5Lobaton团队基于X射线图像的连续型机器人的形状重建[23]Vandini团队也使用X射线检测并跟踪同心管机器人在头颅里的形状[24]。他们提出了一种基于视觉的同心管机器人形状感知算法。该算法将从标准成像模型(单平面X射线透视法)中提取的信息与同心管机器人的运动学模型融合在一起，在存在运动学噪声和未建模的情况下实现机器人形状的自动、实时、准确和连续的估计（如图1-6所示）。然而，基于超声影像的连续型机器人的检测在近几年的研究中也很火热。超-5-
【参考文献】：
期刊论文
[1]达芬奇智能手术机器人的概况及临床应用[J]. 李军,房爱玲. 中国医疗器械信息. 2019(16)
[2]一种新型微创伤腹腔镜手术机器人系统[J]. 苏明轩,王家寅,李自汉,罗中宝,袁帅,陈功,廖志祥,何超. 中国医疗器械杂志. 2019(03)
[3]人工智能、机器人与经济发展研究进展综述[J]. 刘涛雄,刘骏. 经济社会体制比较. 2018(06)
[4]医疗机器人的技术发展与研究综述[J]. 楼逸博. 中国战略新兴产业. 2017(48)
[5]康复机器人发展综述[J]. 肖勇,孙平范,陈罡. 信息系统工程. 2017(05)
[6]我国医疗器械行业之现状与发展趋势[J]. 蔡仲曦,干荣富. 中国医药工业杂志. 2013(12)
[7]结肠镜机器人结构设计与通过性研究[J]. 胡海燕,李伟达,李娟,孙立宁. 哈尔滨工程大学学报. 2013(02)
[8]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)
[9]连续型机器人研究综述[J]. 孙立宁,胡海燕,李满天. 机器人. 2010(05)
[10]一种连续型肠道机器人的通过性研究与仿真[J]. 郭伟,肖滔,胡海燕,李满天,王鹏飞. 机械与电子. 2010(07)
博士论文
[1]基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究[D]. 孙银山.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]穿刺消融手术机器人系统开发与控制方法研究[D]. 裘焱枫.浙江大学 2019
[2]基于磁定位的柔性机器人末端追踪与形状重建的研究[D]. 张长春.哈尔滨工业大学 2018
[3]连续型同心管机器人系统设计及运动控制[D]. 卢意.哈尔滨工业大学 2018
[4]颅颌面穿刺机器人系统研究[D]. 虞宪富.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3225859
【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】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DaVinci机器人末端位置的信息在微创外科手术中有着十分重要的作用和意义
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2015年，来自新泽西州立大学的AlvinChen和Medtronic公司的MaxBalter研发出了一种静脉穿刺机器人，以减少人工静脉穿刺的不确定性和失败率[13]。如图1-3所示，该机器人有7个自由度，搭配红外线和超声成像仪，能够实时地检测穿刺针在体内的情况。这款机器人拥有三维的机架和四维的小型机械臂。机架可以显示被检测者前臂周围的静脉，而机械臂主要用于控制穿刺针在图像引导下插入静脉，完成药物注射或者血液采样。图1-3静脉穿刺机器人[13]其他连续型机器人，相较于穿刺针，末端执行器结构相对复杂，而基本的运动学模型仍然有研究的价值。波士顿大学的PatrickSears和PierreDupont提出了同心管连续型机器人的运动学模型（如图1-4a)所示）[14,15]。随后搭建了实验平台（如图1-4b)所示）[10]，他们利用之前提出的正逆运动学模型以及PID控制算法，并对同心管机器人进行了运动控制，验证了同心管机器人的正运动模型的准确性，同时指出其逆运动学模型仍存在误差。a)同心管机器人的运动学模型[14]b)同心管机器人实验平台[15]图1-4同心管机器人运动学模型和实验平台模型建立有了初步成果之后，Webster[16]和RanXu[17]分别对同心管机器人的控制算法进行了研究，提出了一个根据矫正雅克比方法去实现同心管机器人的位-4-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文置控制的算法。在得到良好的控制算法之后，RRT[18]、RRT*[19]、RRM[20]、神经网络[21]等算法也逐步应用在了同心管机器人的路径规划上，确保同心管在人体狭小腔道或体内躲避障碍，减小对人体其他器官的伤害。1.3.1.2连续型机器人的跟踪根据连续型机器人的特点，我们可以把它们分为两种，一种是无法根据正运动学得到先验模型的，如穿刺针机器人，另一种是可以根据正运动学推导出先验模型，如同心管机器人。在现有的医疗检测条件下，能够完成对连续型手术机器人感知的比较常见的检测方式主要有CT、X光、MRI、磁定位和超声扫描仪[22]。Lobaton团队提出了一种新的方法，在医疗过程中使用少量的x射线投影图像连续准确地重建机器人的形状（如图1-5所示）[23]。他们使用机器人的运动学模型，从一组X射线图像中提取的数据，建立形状和时间的函数，同时利用先验知识和数值优化的方法来选择最佳的相机配置，从而最小化形状估计的期望误差。图1-5Lobaton团队基于X射线图像的连续型机器人的形状重建[23]Vandini团队也使用X射线检测并跟踪同心管机器人在头颅里的形状[24]。他们提出了一种基于视觉的同心管机器人形状感知算法。该算法将从标准成像模型(单平面X射线透视法)中提取的信息与同心管机器人的运动学模型融合在一起，在存在运动学噪声和未建模的情况下实现机器人形状的自动、实时、准确和连续的估计（如图1-6所示）。然而，基于超声影像的连续型机器人的检测在近几年的研究中也很火热。超-5-
【参考文献】：
期刊论文
[1]达芬奇智能手术机器人的概况及临床应用[J]. 李军,房爱玲. 中国医疗器械信息. 2019(16)
[2]一种新型微创伤腹腔镜手术机器人系统[J]. 苏明轩,王家寅,李自汉,罗中宝,袁帅,陈功,廖志祥,何超. 中国医疗器械杂志. 2019(03)
[3]人工智能、机器人与经济发展研究进展综述[J]. 刘涛雄,刘骏. 经济社会体制比较. 2018(06)
[4]医疗机器人的技术发展与研究综述[J]. 楼逸博. 中国战略新兴产业. 2017(48)
[5]康复机器人发展综述[J]. 肖勇,孙平范,陈罡. 信息系统工程. 2017(05)
[6]我国医疗器械行业之现状与发展趋势[J]. 蔡仲曦,干荣富. 中国医药工业杂志. 2013(12)
[7]结肠镜机器人结构设计与通过性研究[J]. 胡海燕,李伟达,李娟,孙立宁. 哈尔滨工程大学学报. 2013(02)
[8]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)
[9]连续型机器人研究综述[J]. 孙立宁,胡海燕,李满天. 机器人. 2010(05)
[10]一种连续型肠道机器人的通过性研究与仿真[J]. 郭伟,肖滔,胡海燕,李满天,王鹏飞. 机械与电子. 2010(07)
博士论文
[1]基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究[D]. 孙银山.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]穿刺消融手术机器人系统开发与控制方法研究[D]. 裘焱枫.浙江大学 2019
[2]基于磁定位的柔性机器人末端追踪与形状重建的研究[D]. 张长春.哈尔滨工业大学 2018
[3]连续型同心管机器人系统设计及运动控制[D]. 卢意.哈尔滨工业大学 2018
[4]颅颌面穿刺机器人系统研究[D]. 虞宪富.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3225859
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