本文關(guān)鍵詞：微創(chuàng)手術(shù)機器人實時系統(tǒng)構(gòu)建與主從控制策略

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【摘要】：微創(chuàng)手術(shù)具有創(chuàng)面小、痛感輕和術(shù)后恢復(fù)時間短等優(yōu)點,得到了廣泛的臨床應(yīng)用。但也存在手眼不協(xié)調(diào)、靈活性不足等問題。由機器人技術(shù)與微創(chuàng)技術(shù)結(jié)合的微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)能夠克服這些缺陷,顯著地提高手術(shù)效率與效果。于臨床中應(yīng)用微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng),對系統(tǒng)的實時性和安全性要求很高。而且手術(shù)機器人系統(tǒng)需要實現(xiàn)手術(shù)器械跟隨醫(yī)生手部以相同的趨勢運動,使得醫(yī)生能夠手眼協(xié)調(diào)操作。本文基于QNX系統(tǒng)構(gòu)建了微創(chuàng)手術(shù)機器人的軟硬件框架,并研究了內(nèi)窺鏡視野下基于笛卡爾空間的主從一致性增量控制策略,從而構(gòu)建了完整的控制系統(tǒng)。進行了多種實驗,檢驗其實時性能和控制策略的有效性。采用分布式I/O與處理的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),確保系統(tǒng)各部分的實時性能能夠滿足系統(tǒng)整體的需要。將QNX系統(tǒng)移植到上位機中,并搭建起各部分之間的通信網(wǎng)絡(luò)。然后按照層級結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用軟件系統(tǒng),根據(jù)功能劃分任務(wù),確定實時性任務(wù)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)先級。然后分析了系統(tǒng)的實時性能,結(jié)果表明系統(tǒng)實時性能優(yōu)秀。針對機器人主從異構(gòu)的特點,研究了內(nèi)窺鏡視野下基于笛卡爾空間的主從一致性增量控制策略。構(gòu)建了機械臂D-H參數(shù)模型,并根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)特點,求出了機械臂的逆運動學(xué)解析解。研究了內(nèi)窺鏡視野下的主從映射方法,并采用視覺測量技術(shù)快速準確地測出機械臂之間的姿態(tài)關(guān)系。為了提升系統(tǒng)的使用性能,開發(fā)了主從術(shù)中調(diào)整、主手抖動濾除和操作安全限制等主從控制功能。針對所構(gòu)建的控制系統(tǒng)開展了實時性能比較實驗、主從控制實驗和活體動物實驗。實驗結(jié)果表明,從手機械臂能夠快速及時地跟隨主操作手運動,具有良好的實時性能;控制系統(tǒng)能夠使得操作者手眼協(xié)調(diào)、直覺地完成各種手術(shù)操作;主從控制功能提高了機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和安全性。實驗的開展也為微創(chuàng)手術(shù)機器人在臨床中應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：微創(chuàng)手術(shù)機器人 實時性能 主從控制 QNX系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH777
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 課題來源9
• 1.2 課題研究背景及意義9-11
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-17
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡析16-17
• 1.4 主要研究內(nèi)容17-19
• 第2章 基于QNX的實時控制系統(tǒng)構(gòu)建19-37
• 2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計19-23
• 2.1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定19-20
• 2.1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方案20-23
• 2.2 基于QNX的硬件系統(tǒng)構(gòu)建23-28
• 2.2.1 QNX系統(tǒng)裁剪和移植24-26
• 2.2.2 控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建26-28
• 2.3 基于QNX的軟件系統(tǒng)構(gòu)建28-35
• 2.3.1 軟件系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)設(shè)計28-29
• 2.3.2 任務(wù)劃分與優(yōu)先級分配29-32
• 2.3.3 任務(wù)循環(huán)結(jié)構(gòu)與任務(wù)間通訊32-35
• 2.4 控制系統(tǒng)實時性能分析35-36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 第3章 主從控制策略與方法研究37-58
• 3.1 主從控制策略37-39
• 3.1.1 微創(chuàng)手術(shù)機器人結(jié)構(gòu)配置介紹37-38
• 3.1.2 笛卡爾空間內(nèi)的增量控制策略38-39
• 3.2 從手機械臂運動學(xué)求解39-44
• 3.2.1 從手機械臂運動學(xué)正解39-41
• 3.2.2 從手機械臂運動學(xué)逆解41-44
• 3.3 主從一致性映射方法44-50
• 3.3.1 內(nèi)窺鏡視野下主從一致性映射方法44-46
• 3.3.2 機械臂間姿態(tài)角視覺測量46-50
• 3.4 主從控制功能實現(xiàn)50-57
• 3.4.1 主從術(shù)中調(diào)整50-52
• 3.4.2 主手抖動濾除52-54
• 3.4.3 操作安全限制54-57
• 3.5 本章小結(jié)57-58
• 第4章 微創(chuàng)手術(shù)機器人實驗研究58-69
• 4.1 微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)集成58-60
• 4.2 控制系統(tǒng)實時性能對比實驗60-64
• 4.2.1 運行時間對比實驗61-62
• 4.2.2 延遲時間對比實驗62-64
• 4.3 基于QNX系統(tǒng)的主從控制實驗64-66
• 4.3.1 主從軌跡對比實驗64-65
• 4.3.2 抓取和套圈實驗65-66
• 4.4 活體動物實驗66-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 結(jié)論69-71
• 參考文獻71-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其他成果75-77
• 致謝77

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本文編號：897718