多维微创手术机械手精确定位控制技术研究

发布时间：2023-10-29 09:16

　　由于科技在不断的进步,社会对包括医疗领域在内的各个领域都提出了越来越高的要求。为了提高脊柱外科微创手术的成功率,提高脊柱微创手术机械手的定位精度,本文主要对其控制策略和空间映射算法进行了研究。首先,针对本课题所研究的脊柱微创手术机械手,分析了其运动学正逆解问题。研究了手术机械手的主从控制策略,本文采用的控制策略是基于主手位置增量的主从控制与空间变比例控制相结合的策略,将主从端之间的实时位置差引入到反馈环节中以达到更好的主从跟随效果,提高系统的控制精度。其次,分析了空间映射方法和基本原理的理论知识,对基于矩阵奇异值分解(SVD)空间映射算法和基于无迹卡尔曼滤波(UKF)空间映射算法进行了研究。最后,研究了脊柱微创手术机械手的运动控制系统及其控制模式。基于上述的研究,经过MATLAB仿真实验,验证了机械手正逆解的正确性;对照剖析了SVD空间映射算法和UKF空间映射算法,验证了SVD算法不能满足系统要求,因此采取UKF空间映射算法,提高系统的定位精度。

【文章页数】：55 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 辅助手术机器人系统的国内外研究现状
    1.3 本文拟解决关键技术研究现状调研
        1.3.1 主从控制策略
        1.3.2 主从空间映射
    1.4 本文主要研究内容及结构安排
第二章 脊柱微创手术机械手运动学分析及主从控制
    2.1 引言
    2.2 机械手的组成及技术指标
    2.3 脊柱微创手术机械手的运动学分析
        2.3.1 机械手运动学正解
        2.3.2 机械手运动学逆解
    2.4 脊柱微创手术机械手中的主从控制策略
        2.4.1 基于绝对位置的主从控制策略
        2.4.2 基于主手位置增量式主从控制策略
        2.4.3 主从空间变比例控制策略
    2.5 本章小结
第三章 脊柱微创手术机械手空间映射算法
    3.1 引言
    3.2 空间映射的原理和过程
        3.2.1 空间映射基本原理
        3.2.2 空间映射的过程
    3.3 点对点的空间映射算法
    3.4 基于矩阵奇异值分解的空间映射算法
    3.5 基于无迹卡尔曼滤波的空间映射算法
        3.5.1 无迹卡尔曼滤波的理论概述
        3.5.2 基于UKF的空间映射算法
    3.6 本章小结
第四章 脊柱微创手术机械手运动控制系统
    4.1 引言
    4.2 脊柱微创手术机械手总体方案
    4.3 脊柱微创手术机械手的硬件系统
        4.3.1 核心控制处理器
        4.3.2 执行机构
        4.3.3 传感机构
        4.3.4 机器人系统通讯
    4.4 脊柱微创手术机械手的控制模式
    4.5 本章小结
第五章 建模与仿真实验分析
    5.1 引言
    5.2 机器人运动学建模及其正解验证实验
    5.3 运动轨迹跟踪仿真实验
    5.4 空间映射仿真实验
        5.4.1 空间映射算法无噪声仿真实验
        5.4.2 空间映射算法加噪声仿真实验
        5.4.3 误差各向异性分布的空间映射算法仿真实验
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
致谢
参考文献



本文编号：3857774