结肠镜机器人力感知与柔顺控制研究
发布时间：2017-10-08 19:38
本文关键词：结肠镜机器人力感知与柔顺控制研究
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【摘要】：由于现今社会污染的加重以及人们饮食结构的改变,目前,全球结直肠癌发病率已位于男性癌症的第三位,女性癌症的第二位,其中我国的肠癌发病率增速达年均4%,是世界水平的两倍。而目前常规结肠内窥镜在检查过程中主动弯曲能力不足从而易引起病人严重不适和痛苦,甚至导致肠道穿孔,所以越来越多的学者尝试将机器人技术引入结直肠镜检查过程中。由于人体肠道具有相对浮动性,形状及位置不完全固定,为了提高结肠镜机器人进行内窥镜检查时的安全性以及可靠性,本文研究了结肠镜机器人力感知系统以及基于力感知的结肠镜机器人柔顺控制系统和柔顺控制算法。通过力感知系统实时监测机器人与肠道壁的接触压力,机器人采用柔顺控制算法使得机器人与肠道壁的接触压力始终保持在安全阈值之内,提高结肠镜机器人肠道检查过程中的安全性。具体研究内容如下:一、力感知系统设计及其参数标定。通过对结肠镜机器人蛇形本体部分表面受力变形的建模与仿真分析设计符合系统要求的压力传感器结构以及压力传感器的信号采集系统,并在此基础上针对传感器结构特点进行力感知系统的参数标定。二、基于力感知的柔顺控制算法研究。首先分析机器人各关节段运动姿态特点与相互关系,得到基于人工导向的主动弯曲控制方法;随后针对结肠镜机器人密闭的人体肠腔工作环境,对肠腔组织进行力学分析,并在机器人连续体各关节段之间串联耦合的结构特点基础上,建立关节段与肠道的接触模型,研究基于接触力的机器人姿态修正算法;最后,融合力感知控制系统,基于以上人工导向控制算法和机器人姿态修正算法得到机器人最终的柔顺控制方法。三、控制系统搭建和实验研究。控制系统由三个子系统构成:弯曲控制系统、前进控制系统以及力感知系统,分别对该三个系统进行硬件和软件的设计与调试。在此基础上开展机器人弯曲实验以及模拟结肠实验,验证基于力感知的柔顺控制方法的正确性和可行性。实验结果证明:所设计的力感知系统能够在结肠镜机器人弯曲运动时对在结肠镜机器人本体部分施加的压力进行实时感知,可以满足结肠镜机器人柔顺控制的需要。另外模拟结肠实验也证明基于力感知的结肠镜机器人柔顺控制算法可以有效地实时控制机器人与肠道壁的接触压力始终在安全阈值范围之内,使机器人可以根据肠道的弯曲状态实时控制机器人的弯曲姿态从而适应肠腔环境,避开障碍,柔顺地通过结肠。
【关键词】：结肠镜机器人 连续型机器人 力感知 柔顺控制
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-10
- 第一章 绪论10-20
- 1.1 研究背景及意义10-11
- 1.1.1 课题来源10
- 1.1.2 研究背景10-11
- 1.2 国内外研究现状及分析11-19
- 1.2.1 内窥镜机器人研究现状及分析11-13
- 1.2.2 力感知与柔顺控制研究现状13-16
- 1.2.3 连续体机器人柔顺控制研究现状16-19
- 1.3 本文研究内容19-20
- 第二章 力感知系统设计20-38
- 2.0 结肠生物模型特性分析20-21
- 2.1 结肠镜机器人整体结构简介21-24
- 2.2 压力传感器结构设计24-28
- 2.2.1 结肠镜机器人本体表面受力变形建模与仿真分析24-26
- 2.2.2 结肠镜机器人压力传感器结构26-28
- 2.3 力感知信号采集与标定系统设计28-33
- 2.3.1 力感知系统信号采集电路设计29-30
- 2.3.2 传感器标定实验系统搭建30-33
- 2.4 力感知系统参数标定33-37
- 2.4.1 传感器方向辨识33-35
- 2.4.2 传感器压力标定35-37
- 2.5 本章小结37-38
- 第三章 基于力感知的关节段柔顺控制方法研究38-54
- 3.1 关节段运动姿态分析38
- 3.2 基于人工导向的主动控制方法研究38-40
- 3.3 关节段力感知理论研究40-46
- 3.3.1 结肠组织生物力学分析40-44
- 3.3.2 基于力感知的单关节段运动特性44-46
- 3.4 基于接触力的机器人姿态修正算法46-51
- 3.4.1 关节段运动耦合关系分析46-49
- 3.4.2 关节段姿态修正理论分析49-51
- 3.5 融合力感知的人工导向主动柔顺控制算法51-53
- 3.6 本章小结53-54
- 第四章 机器人控制系统设计54-67
- 4.1 控制系统硬件搭建54-59
- 4.1.1 弯曲控制系统54-56
- 4.1.2 前进控制系统56-58
- 4.1.3 基于力感知的整体硬件系统搭建58-59
- 4.2 控制系统软件设计59-66
- 4.2.1 前进控制软件设计59-62
- 4.2.2 弯曲控制软件设计62-65
- 4.2.3 基于力感知的整体软件设计65-66
- 4.3 本章小结66-67
- 第五章 实验研究67-77
- 5.1 实验系统介绍67-68
- 5.2 机器人弯曲实验68-71
- 5.3 基于模拟结肠的运动实验71-76
- 5.4 本章小结76-77
- 第六章 总结与展望77-79
- 6.1 总结77
- 6.2 展望77-79
- 参考文献79-84
- 附录84-90
- 作者在读期间科研成果简介90-91
- 致谢91-92
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