基于FBG的微创手术机器人力与形状感知系统研究
发布时间：2022-01-23 00:06
近年来,力与形状感知功能在不同机器人上的定制化设计和集成已成为世界范围内机器人学科的研究热点之一;对于具有特定结构,特定功能和特定应用环境微创手术机器人,力与形状感知功能的完善具有重要的应用价值。本课题在哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的支持下,针对特定的单孔腹腔微创手术机器人设计了一种基于光纤布拉格光栅传感器FBG（Fiber Bragg Grating）的力与形状感知系统,以期能为相关领域的应用提供更多研发思路、研究经验和参考方法。首先,建立基于FBG光纤和Frenet-Serret标架的手术机器人器械的力与形状感知系统。力感知系统的设计主要包括系统设计参数的拟定,弹性关节的设计与布置、弹性关节力学模型的建立与三轴力、温度解耦机制的建立;形状感知系统的设计内容则主要包括系统设计参数的拟定,基于弹性关节的多点形状测量设计和基于Frenet-Serret标架的三维骨架重构算法建立。在建立弹性关节的拉压、弯扭模型的基础上,采用改进的粒子群算法对关节结构参数进行了优化,该设计消除了初步设计尺寸中存在的主观不合理因素,提高了关节的轴、径向灵敏度以及两者间的一致性。提出了一种亚柔性...
【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】：144 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
手术机器人在不同外科手术中的应用实例[4][5][6][7]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-（3）进入人体内部进行相应手术的微创手术机器人必须具备很好的生物兼容性。这限制了传感器和相应机构的材料和类型选用；（4）所设计传感系统应当同时具备良好的电磁兼容性，以保证其能与CT、PET、MRI等诊断技术共存；（5）微创手术机器人的力及形状感知系统应作为平行于视觉系统的辅助系统，并应具有足够的工程价值；这对于感知系统的经济性和可靠性提出了要求。图1-2微创腹腔手术机器人的末端控制器综上所述，一个满足微创手术机器人要求的力与形状感知系统对传感方式、结构设计、集成方式、精度、生物及电磁兼容性都提出了不同程度的要求。同时，对微创手术机器人力及形状感知系统的研制对于下一阶段医疗机器人的进步又具有战略性的意义：可以预见，在不久的将来，当第二、第三个“达芬奇系统”问世后，新一代具有良好力及形状感知功能的微创手术机器人系统将能使微创手术的质量更进一步，其也将具有巨大的商业价值与广阔的应用前景。光纤布拉格光栅传感器（FBG）是在光纤上通过调制光纤的折射率形成的光学波长反射器件，其本身便具有抗电磁干扰、耐高温、体积孝抗腐蚀等一般光纤所具有的优势[20]；同时，由于其对于温度和应变两种最为基本的物理量十分敏感，在桥梁、建筑、电气和航天领域的工程应用场景中常借助FBG实现多种物理量的高精度测量，这使得FBG传感器近二十年来在准静态领域取得了长足的发展[21][22]；此外，FBG还具有不受光源起伏影响、利于波分复用、易于实现网络化等优点，故其在光通信领域和光传感领域均具有广阔的应用前景。FBG传感器所具有的以下几个特点使其非常适合作为软体手术机器人的力感知元件：（1）FBG为波长调制型器件，与传统的干涉型光纤传感器相比，其避免了由于光
餍倒?司的研究热点。欧洲方面，都灵理工大学力学系的M.Sorli等于1994年前后基于著名的Gough-Stewart并联平台[23][24]设计了一种六自由度的Stewart力（矩）传感器，并对其静态性能以及动态性能进行了分析[25][26]。借助Stewart并联平台特殊的空间几何结构，传感器所受到的空间力及力矩可以通过非常简单的数学模型（如图1-3）与六根并联支承杆上的受力关联起来，分析结果显示出了良好的重复性和精度，动态测试过程中出现的非线性特征主要来源于并联平台中球关节在受力运动中的摩擦和死区效应。(a)Stewart传感器机构简图(b)俯视示意图(c)Stewart传感器实物图1-3都灵理工大学于1994年前后所提出的Stewart力（矩）传感器[26]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]渐进式内窥镜形状的感知和重建[J]. 钱晋武,郑庆华,张伦伟,沈林勇,章亚男. 光学精密工程. 2004(05)
博士论文
[1]面向单孔腔镜手术的连续型机械臂及其运动建模的研究[D]. 杨文龙.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]单孔腹腔微创手术机器人的机械臂系统研究[D]. 韩大为.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3603178
【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】：144 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
手术机器人在不同外科手术中的应用实例[4][5][6][7]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-（3）进入人体内部进行相应手术的微创手术机器人必须具备很好的生物兼容性。这限制了传感器和相应机构的材料和类型选用；（4）所设计传感系统应当同时具备良好的电磁兼容性，以保证其能与CT、PET、MRI等诊断技术共存；（5）微创手术机器人的力及形状感知系统应作为平行于视觉系统的辅助系统，并应具有足够的工程价值；这对于感知系统的经济性和可靠性提出了要求。图1-2微创腹腔手术机器人的末端控制器综上所述，一个满足微创手术机器人要求的力与形状感知系统对传感方式、结构设计、集成方式、精度、生物及电磁兼容性都提出了不同程度的要求。同时，对微创手术机器人力及形状感知系统的研制对于下一阶段医疗机器人的进步又具有战略性的意义：可以预见，在不久的将来，当第二、第三个“达芬奇系统”问世后，新一代具有良好力及形状感知功能的微创手术机器人系统将能使微创手术的质量更进一步，其也将具有巨大的商业价值与广阔的应用前景。光纤布拉格光栅传感器（FBG）是在光纤上通过调制光纤的折射率形成的光学波长反射器件，其本身便具有抗电磁干扰、耐高温、体积孝抗腐蚀等一般光纤所具有的优势[20]；同时，由于其对于温度和应变两种最为基本的物理量十分敏感，在桥梁、建筑、电气和航天领域的工程应用场景中常借助FBG实现多种物理量的高精度测量，这使得FBG传感器近二十年来在准静态领域取得了长足的发展[21][22]；此外，FBG还具有不受光源起伏影响、利于波分复用、易于实现网络化等优点，故其在光通信领域和光传感领域均具有广阔的应用前景。FBG传感器所具有的以下几个特点使其非常适合作为软体手术机器人的力感知元件：（1）FBG为波长调制型器件，与传统的干涉型光纤传感器相比，其避免了由于光
餍倒?司的研究热点。欧洲方面，都灵理工大学力学系的M.Sorli等于1994年前后基于著名的Gough-Stewart并联平台[23][24]设计了一种六自由度的Stewart力（矩）传感器，并对其静态性能以及动态性能进行了分析[25][26]。借助Stewart并联平台特殊的空间几何结构，传感器所受到的空间力及力矩可以通过非常简单的数学模型（如图1-3）与六根并联支承杆上的受力关联起来，分析结果显示出了良好的重复性和精度，动态测试过程中出现的非线性特征主要来源于并联平台中球关节在受力运动中的摩擦和死区效应。(a)Stewart传感器机构简图(b)俯视示意图(c)Stewart传感器实物图1-3都灵理工大学于1994年前后所提出的Stewart力（矩）传感器[26]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]渐进式内窥镜形状的感知和重建[J]. 钱晋武,郑庆华,张伦伟,沈林勇,章亚男. 光学精密工程. 2004(05)
博士论文
[1]面向单孔腔镜手术的连续型机械臂及其运动建模的研究[D]. 杨文龙.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]单孔腹腔微创手术机器人的机械臂系统研究[D]. 韩大为.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3603178
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