面向穿刺手术的超声扫描臂系统关键控制技术研究

发布时间：2023-04-20 23:02

　　传统的经皮穿刺手术难度大,手术时间长,而且过度依赖于医生的经验和技术。为减少手术的时间和难度,以及人为因素的影响,研究三维超声系统引导的经皮穿刺手术机器人的关键技术具有重要的临床应用价值。本文根据医生的需求,为穿刺手术机器人的超声扫描臂设计了两种操作模式:主从操作模式和人机协作拖拽模式,医生可以根据习惯和手术场合选择合理舒适的模式进行手术。基于上述两种操作模式,本文主要研究与之对应两种控制技术,即超声扫描臂的主从控制技术与人机协作拖拽控制技术。首先,基于Ether CAT总线技术和Twin CAT运动控制系统完成了超声扫描臂实时控制系统构建。硬件采用分布式结构,用Ether CAT总线实现倍福工控机与各个关节模组之间的实时通信。同时,设计了软件系统的分层结构,不同层级之间与层级内部进行模块化功能设计,优化软件系统结构。其次,通过对超声扫描臂的结构分析,求解得到正逆运动学的解析解。结合微分运动学的分析,求解描述关节速度与末端广义速度之间线性映射的几何雅克比矩阵。对于末端位姿用欧拉角来进行表示的情形,进一步给出分析雅克比矩阵求解方法以及两种雅克比矩阵之间的关系。同时,通过运动静力二元性分析...

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究的目的和意义
    1.2 微创穿刺手术机器人国内外发展综述
        1.2.1 手术机器人国内外发展综述
        1.2.2 图像引导的穿刺手术机器人研究现状
    1.3 超声引导的穿刺手术机器人控制技术国内外研究现状
        1.3.1 穿刺手术机器人主从控制研究现状
        1.3.2 基于导纳模型的力摆位拖拽控制研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 超声扫描臂控制系统搭建
    2.1 引言
    2.2 超声扫描臂控制系统硬件结构的确定
    2.3 控制系统硬件结构实现方法
    2.4 软件系统的设计与实现
    2.5 本章小结
第3章 超声扫描臂运动学分析
    3.1 引言
    3.2 超声扫描臂结构的设计与分析
    3.3 D-H坐标系的建立
    3.4 位姿运动学正运算求解
    3.5 位姿运动学逆运算求解
    3.6 微分运动学与几何雅克比矩阵
    3.7 超声扫描臂的分析雅克比矩阵
    3.8 本章小结
第4章 超声扫描臂主从控制技术
    4.1 引言
    4.2 主从控制策略的确定
    4.3 基于逆雅克比矩阵的微分运动增量主从映射算法
    4.4 主从控制算法的编程实现与仿真
    4.5 医生手部抖动滤波算法
    4.6 主手信号采集与主从ADS通信
    4.7 控制系统人机交互界面的设计
    4.8 超声扫描臂主从控制实验验证
    4.9 本章小结
第5章 超声扫描臂人机协作控制技术
    5.1 引言
    5.2 超声扫描臂导纳控制系统
        5.2.1 导纳控制原理分析
        5.2.2 超声扫描臂工作空间六维导纳控制原理
        5.2.3 导纳控制模型参数分析
    5.3 模糊变参数导纳控制
        5.3.1 基于操作者交互意图分析的虚拟阻尼参数调整策略
        5.3.2 模糊推理系统在虚拟阻尼参数调整中的应用
        5.3.3 基于模糊推理系统的变参数导纳控制系统
    5.4 人机协作交互力信号的处理
    5.5 人机协作模式下模糊变参数导纳控制算法仿真实验验证
    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



本文编号：3795331