学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于模型的微创手术机器人力检测技术研究

作　者: 桑宏强
导　师: 王树新
学　校: 天津大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 微创外科手术机器人丝传动力检测动力学模型参数辨识主从直觉运动控制运动和力反馈控制
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 257次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

微创外科手术机器人系统不仅可以拓展医生进行微创外科手术的能力,而且可以增加医生手术操作精度、灵活性和视觉。力和触觉反馈在微创外科手术中起着极其重要的作用,它能够使医生感觉器官组织硬度和强度、测量组织属性、评估解剖学结构并且允许医生进行安全操作组织,实施恰当的力控制行为。目前商业上可获得的机器人系统缺乏力和触觉反馈,其最主要原因是由于在微创外科手术这个特殊环境下难以获取末端执行器和环境间的力和力矩信息。本文针对上述问题,提出了基于模型的力检测技术,实现了在无力和力矩传感器情况下,提取手术工具与环境之间的交互作用力,为微创外科机器人实现力检测和力反馈提供一切实可行的理论研究基础。论文主要研究内容和成果如下:1、根据腹腔微创外科手术特点,提出了MicroHand A系统的设计要求,并详细介绍了系统各部分组成和功能。在丝传动操作臂的运动学基础上,提出了“半回路丝传动法”,可直接列写电机角位移和关节角之间关系方程。利用旋量理论分析了主从操作臂的运动学,建立了部分丝传动的主动环节在笛卡尔空间、关节空间和电机驱动空间之间的映射关系。推导了主从操作臂的空间和物体雅克比矩阵。为实现后续主从异构直觉运动控制和基于模型的力检测技术奠定了前提基础。2、利用拉格朗日方法,建立了计及电机转子动力学和关节摩擦在内的通用开环链机器人操作臂和丝传动操作臂完整动力学模型。导出了基于动力学模型的机器人末端执行器和环境交互作用力的检测模型,为实现无力和力矩传感器情况下的力和力矩信息的获取奠定了理论研究基础。3、采用指数积公式和拉格朗日方法建立了MicroHand A系统中包含远程运动中心机构和丝传动的手术工具在内的主动环节的完整动力学模型。该模型计及了关节摩擦和电机转子动力学模型及丝传动对关节力矩耦合的影响。对该动力学模型进行了线性化处理,并通过实验方法利用最小二乘原理辨识了动力学参数,为实现基于模型的力检测技术提供了有力保障。4、设计了MicroHand A系统的主从控制硬件结构和软件算法,实现了在内窥镜图像系统下的直觉运动控制和缩放运动控制,解决了手眼不协调、主从操作臂运动学不一致和工作空间不匹配问题。为实现双边运动和力反馈控制,建立了简化为一自由度主从遥操作系统的动力学模型,并应用二端口网络理论进行了描述,推导了满足绝对稳定性的充分必要条件,并定性分析了控制参数对系统的稳定性和透明性的影响。5、有效的进行了基于模型的力检测实验和位置跟踪性能实验。力检测实验包括基于动力学模型的力检测精度测试实验和不同实验任务打结与缝合时的手术工具和环境之间的交互作用力的检测实验。进行了从操作臂对主操作臂的位置跟踪性能实验。验证了基于模型的力检测原理的正确性与技术可行性。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-11
第一章绪论  11-33
  1.1 概述  11
  1.2 微创外科手术  11-12
  1.3 机器人辅助的微创外科  12-18
    1.3.1 商业化手术机器人系统  12-14
    1.3.2 实验室研究的手术机器人系统  14-18
  1.4 微创手术中的力检测和力反馈  18-26
    1.4.1 具有传感器的力检测和力反馈  18-25
    1.4.2 无传感器的力检测策略  25-26
      1.4.2.1 力估计  25-26
      1.4.2.2 传感器替代  26
      1.4.2.3 虚拟装置  26
  1.5 需要解决的主要问题  26-30
    1.5.1 机构描述和运动学分析  26-27
    1.5.2 动力学建模  27-28
    1.5.3 动力学参数辨识  28-29
      1.5.3.1 离线辨识  28-29
      1.5.3.2 在线辨识  29
    1.5.4 主从双边遥操作控制  29-30
      1.5.4.1 具有运动缩放的直觉运动控制  29-30
      1.5.4.2 双边运动和力反馈控制  30
  1.6 本文主要研究内容  30-33
第二章 MicroHand A 系统及其运动学分析  33-59
  2.1 引言  33
  2.2 MicroHand A 系统  33-39
    2.2.1 设计要求  33-34
    2.2.2 系统样机  34-39
      2.2.2.1 主操作臂  35-36
      2.2.2.2 从操作臂  36-38
      2.2.2.3 图像系统  38-39
      2.2.2.4 控制系统  39
  2.3 丝传动运动学和静力分析  39-44
    2.3.1 假设条件  39-40
    2.3.2 结构描述  40
    2.3.3 基本方程  40-42
      2.3.3.1 基本回路方程  40-41
      2.3.3.2 共轴条件  41
      2.3.3.3 传动线  41-42
    2.3.4 关节空间和驱动空间之间的变换关系  42-43
    2.3.5 静力分析  43-44
  2.4 运动学正解  44-49
    2.4.1 机器人运动学的指数积公式  44-45
    2.4.2 主操作臂运动学正解  45-47
    2.4.3 从操作臂被动部分运动学正解  47-48
    2.4.4 从操作臂中主动环节运动学正解  48-49
  2.5 从操作臂中主动环节运动学逆解  49-54
  2.6 雅克比矩阵  54-58
    2.6.1 主操作臂的雅克比矩阵  55-56
    2.6.2 从操作臂中主动环节的雅克比矩阵  56-58
  2.7 本章小结  58-59
第三章动力学建模和基于模型的力检测原理  59-73
  3.1 引言  59
  3.2 开环链机器人动力学模型  59-62
  3.3 丝传动的机器人动力学模型  62-63
    3.3.1 开环链机器人动力学模型  62
    3.3.2 关节空间和丝位移空间的映射关系  62
    3.3.3 电机转子动力学模型  62-63
    3.3.4 完整系统动力学模型  63
  3.4 摩擦模型  63-69
    3.4.1 静摩擦模型  64-65
    3.4.2 动摩擦模型  65-69
      3.4.2.1 Dahl 模型  65-66
      3.4.2.2 “鬃毛”模型  66-67
      3.4.2.3 集成模型  67
      3.4.2.4 Lugre 模型  67-69
  3.5 基于模型的力检测原理  69-71
    3.5.1 齿轮传动下的力检测原理  69-71
    3.5.2 丝传动下的力检测原理  71
  3.6 本章小结  71-73
第四章 MicroHand A 动力学建模及其参数辨识  73-93
  4.1 引言  73
  4.2 Microhand A 主动环节动力学模型  73-81
    4.2.1 开环链动力学模型  73-79
    4.2.2 计及丝传动和摩擦的主动环节动力学模型  79-81
  4.3 动力学参数线性化  81-84
  4.4 动力学参数辨识  84-91
    4.4.1 辨识方法  84-85
    4.4.2 实验辨识  85-91
      4.4.2.1 实验平台  85-86
      4.4.2.2 动力学参数辨识和力矩估计  86-91
  4.5 本章小结  91-93
第五章主从双边运动和力控制  93-111
  5.1 引言  93
  5.2 MicroHand A 控制系统硬件结构  93-95
    5.2.1 人机交互接口  93-94
    5.2.2 高级控制器  94-95
    5.2.3 低级控制器  95
  5.3 MicroHand A 系统控制算法  95-97
    5.3.1 具有缩放功能的直觉运动控制算法  95-97
    5.3.2 开合算法  97
  5.4 MicroHand A 系统主从控制结构  97-98
  5.5 运动和力反馈控制  98-109
    5.5.1 主从遥操作系统的混合二端口网络描述  98-99
    5.5.2 通用遥操作双边控制结构  99-100
    5.5.3 直接估计力反馈  100-101
    5.5.4 稳定性分析  101-106
      5.5.4.1 莱威林绝对稳定性准则  101-102
      5.5.4.2 直接估计力反馈稳定性分析  102-106
    5.5.5 直接估计力反馈透明性分析  106-109
  5.6 本章小结  109-111
第六章实验研究  111-125
  6.1 引言  111
  6.2 基于模型的力检测精度测试实验  111-114
  6.3 不同实验任务下的力检测实验  114-120
    6.3.1 打结任务实验  114-117
    6.3.2 缝合任务实验  117-120
  6.4 主从遥操作位置跟踪实验  120-123
  6.5 本章小结  123-125
第七章全文总结  125-129
  7.1 结论  125-127
  7.2 工作展望  127-129
参考文献  129-143
发表论文和参加科研情况说明  143-145
致谢  145

基于模型的微创手术机器人力检测技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文