腹腔微创手术机器人运动控制系统的研究

论文摘要

机器人应用于腹腔微创外科手术中,可以提高手术质量,降低医生劳动强度,减少病人痛苦。本文对七自由度腹腔微创手术机器人在手术中的各种基本运动进行分析求解,讨论该冗余机器人的运动优化问题,设计机器人运动控制系统硬件,并采用面向对象技术开发了系统控制软件,最后针对微创手术应用环境对机器人进行实验。首先对具有冗余性的七自由度腹腔微创手术机器人进行运动学分析。采用D-H方法求出机器人的正运动学解析解;运用几何法给出机器人逆运动学解析解;给出末端执行器姿态的欧拉角表示法及其与齐次变换矩阵之间的转换表达式;最后用矢量积法求出机器人的雅可比矩阵。其次将成熟的PID控制策略应用于机器人各关节的位置伺服控制中。在分析微创手术任务的基础上将机器人的操作规划为四种基本的机器人动作,并分别讨论了实现各种动作的方法。在研究梯度投影法求解冗余度机器人运动学的基础上,结合位姿分解方法给出了一种有效的冗余机器人运动学逆解求解方法,并应用该方法对机器人自运动、避免关节极限、躲避障碍进行仿真分析。再次研究了腹腔微创手术机器人运动控制系统的硬件总体结构,并设计相应的接口板,最终搭建起运动控制系统的硬件平台。在VC++环境下开发系统的控制软件,设计控制软件界面以及实现相应功能,出于对操作安全性的考虑,软件中增加了容错性设计。最后在所设计的机器人软硬件基础上对机器人各种基本运动进行了实验,通过实验数据,验证相应算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究目的和意义
• 1.2 国内外微创外科手术系统的研究现状
• 1.2.1 国外微创外科手术系统的研究现状
• 1.2.2 国内微创外科手术系统的研究现状
• 1.3 运动控制技术的发展现状
• 1.3.1 运动控制器的种类
• 1.3.2 运动控制策略
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 腹腔微创手术机器人的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 微创手术机器人的机械结构简介
• 2.3 运动学分析的理论基础
• 2.3.1 机器人位姿的描述
• 2.3.2 齐次变换矩阵
• 2.3.3 机器人运动学D-H参数表示法
• 2.4 腹腔微创手术机器人的正运动学
• 2.5 腹腔微创手术机器人的逆运动学
• 2.6 腹腔微创手术机器人末端执行器的欧拉角
• 2.7 腹腔微创手术机器人的雅可比矩阵
• 2.8 本章小结
• 第3章 腹腔微创手术机器人的运动控制与规划
• 3.1 引言
• 3.2 关节的位置控制
• 3.2.1 PID控制算法
• 3.2.2 关节电机的控制结构
• 3.3 机器人的动作规划与实现
• 3.3.1 内窥镜从当前位姿运动到指定位姿
• 3.3.2 保持内窥镜姿态不变沿其轴线方向运动
• 3.3.3 腹腔内的绕插入点运动
• 3.3.4 冗余度机器人的运动优化
• 3.4 本章小结
• 第4章 运动控制系统的硬件与软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 运动控制系统的硬件设计
• 4.2.1 硬件的总体方案
• 4.2.2 硬件主要组成部件的选用
• 4.2.3 接口板的设计
• 4.3 运动控制系统的软件设计
• 4.3.1 软件总体结构
• 4.3.2 控制软件的界面设计
• 4.3.3 控制软件的容错性设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 腹腔微创手术机器人运动实验
• 5.1 引言
• 5.2 机器人各基本动作演示实验
• 5.2.1 以指定位姿运动到插入点上方演示实验
• 5.2.2 插入运动演示实验
• 5.2.3 绕插入点运动演示实验
• 5.2.4 自运动演示实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢