基于FBG的微創(chuàng)手術機器人力與形狀感知系統(tǒng)研究
發(fā)布時間：2022-01-23 00:06
近年來,力與形狀感知功能在不同機器人上的定制化設計和集成已成為世界范圍內機器人學科的研究熱點之一;對于具有特定結構,特定功能和特定應用環(huán)境微創(chuàng)手術機器人,力與形狀感知功能的完善具有重要的應用價值。本課題在哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室的支持下,針對特定的單孔腹腔微創(chuàng)手術機器人設計了一種基于光纖布拉格光柵傳感器FBG（Fiber Bragg Grating）的力與形狀感知系統(tǒng),以期能為相關領域的應用提供更多研發(fā)思路、研究經驗和參考方法。首先,建立基于FBG光纖和Frenet-Serret標架的手術機器人器械的力與形狀感知系統(tǒng)。力感知系統(tǒng)的設計主要包括系統(tǒng)設計參數的擬定,彈性關節(jié)的設計與布置、彈性關節(jié)力學模型的建立與三軸力、溫度解耦機制的建立;形狀感知系統(tǒng)的設計內容則主要包括系統(tǒng)設計參數的擬定,基于彈性關節(jié)的多點形狀測量設計和基于Frenet-Serret標架的三維骨架重構算法建立。在建立彈性關節(jié)的拉壓、彎扭模型的基礎上,采用改進的粒子群算法對關節(jié)結構參數進行了優(yōu)化,該設計消除了初步設計尺寸中存在的主觀不合理因素,提高了關節(jié)的軸、徑向靈敏度以及兩者間的一致性。提出了一種亞柔性...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：144 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
手術機器人在不同外科手術中的應用實例[4][5][6][7]
哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-3-（3）進入人體內部進行相應手術的微創(chuàng)手術機器人必須具備很好的生物兼容性。這限制了傳感器和相應機構的材料和類型選用；（4）所設計傳感系統(tǒng)應當同時具備良好的電磁兼容性，以保證其能與CT、PET、MRI等診斷技術共存；（5）微創(chuàng)手術機器人的力及形狀感知系統(tǒng)應作為平行于視覺系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，并應具有足夠的工程價值；這對于感知系統(tǒng)的經濟性和可靠性提出了要求。圖1-2微創(chuàng)腹腔手術機器人的末端控制器綜上所述，一個滿足微創(chuàng)手術機器人要求的力與形狀感知系統(tǒng)對傳感方式、結構設計、集成方式、精度、生物及電磁兼容性都提出了不同程度的要求。同時，對微創(chuàng)手術機器人力及形狀感知系統(tǒng)的研制對于下一階段醫(yī)療機器人的進步又具有戰(zhàn)略性的意義：可以預見，在不久的將來，當第二、第三個“達芬奇系統(tǒng)”問世后，新一代具有良好力及形狀感知功能的微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)將能使微創(chuàng)手術的質量更進一步，其也將具有巨大的商業(yè)價值與廣闊的應用前景。光纖布拉格光柵傳感器（FBG）是在光纖上通過調制光纖的折射率形成的光學波長反射器件，其本身便具有抗電磁干擾、耐高溫、體積孝抗腐蝕等一般光纖所具有的優(yōu)勢[20]；同時，由于其對于溫度和應變兩種最為基本的物理量十分敏感，在橋梁、建筑、電氣和航天領域的工程應用場景中常借助FBG實現(xiàn)多種物理量的高精度測量，這使得FBG傳感器近二十年來在準靜態(tài)領域取得了長足的發(fā)展[21][22]；此外，F(xiàn)BG還具有不受光源起伏影響、利于波分復用、易于實現(xiàn)網絡化等優(yōu)點，故其在光通信領域和光傳感領域均具有廣闊的應用前景。FBG傳感器所具有的以下幾個特點使其非常適合作為軟體手術機器人的力感知元件：（1）FBG為波長調制型器件，與傳統(tǒng)的干涉型光纖傳感器相比，其避免了由于光
饜倒?司的研究熱點。歐洲方面，都靈理工大學力學系的M.Sorli等于1994年前后基于著名的Gough-Stewart并聯(lián)平臺[23][24]設計了一種六自由度的Stewart力（矩）傳感器，并對其靜態(tài)性能以及動態(tài)性能進行了分析[25][26]。借助Stewart并聯(lián)平臺特殊的空間幾何結構，傳感器所受到的空間力及力矩可以通過非常簡單的數學模型（如圖1-3）與六根并聯(lián)支承桿上的受力關聯(lián)起來，分析結果顯示出了良好的重復性和精度，動態(tài)測試過程中出現(xiàn)的非線性特征主要來源于并聯(lián)平臺中球關節(jié)在受力運動中的摩擦和死區(qū)效應。(a)Stewart傳感器機構簡圖(b)俯視示意圖(c)Stewart傳感器實物圖1-3都靈理工大學于1994年前后所提出的Stewart力（矩）傳感器[26]：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]漸進式內窺鏡形狀的感知和重建[J]. 錢晉武,鄭慶華,張倫偉,沈林勇,章亞男. 光學精密工程. 2004(05)
博士論文
[1]面向單孔腔鏡手術的連續(xù)型機械臂及其運動建模的研究[D]. 楊文龍.哈爾濱工業(yè)大學 2016
碩士論文
[1]單孔腹腔微創(chuàng)手術機器人的機械臂系統(tǒng)研究[D]. 韓大為.哈爾濱工業(yè)大學 2012
本文編號：3603178
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：144 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
手術機器人在不同外科手術中的應用實例[4][5][6][7]
哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-3-（3）進入人體內部進行相應手術的微創(chuàng)手術機器人必須具備很好的生物兼容性。這限制了傳感器和相應機構的材料和類型選用；（4）所設計傳感系統(tǒng)應當同時具備良好的電磁兼容性，以保證其能與CT、PET、MRI等診斷技術共存；（5）微創(chuàng)手術機器人的力及形狀感知系統(tǒng)應作為平行于視覺系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，并應具有足夠的工程價值；這對于感知系統(tǒng)的經濟性和可靠性提出了要求。圖1-2微創(chuàng)腹腔手術機器人的末端控制器綜上所述，一個滿足微創(chuàng)手術機器人要求的力與形狀感知系統(tǒng)對傳感方式、結構設計、集成方式、精度、生物及電磁兼容性都提出了不同程度的要求。同時，對微創(chuàng)手術機器人力及形狀感知系統(tǒng)的研制對于下一階段醫(yī)療機器人的進步又具有戰(zhàn)略性的意義：可以預見，在不久的將來，當第二、第三個“達芬奇系統(tǒng)”問世后，新一代具有良好力及形狀感知功能的微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)將能使微創(chuàng)手術的質量更進一步，其也將具有巨大的商業(yè)價值與廣闊的應用前景。光纖布拉格光柵傳感器（FBG）是在光纖上通過調制光纖的折射率形成的光學波長反射器件，其本身便具有抗電磁干擾、耐高溫、體積孝抗腐蝕等一般光纖所具有的優(yōu)勢[20]；同時，由于其對于溫度和應變兩種最為基本的物理量十分敏感，在橋梁、建筑、電氣和航天領域的工程應用場景中常借助FBG實現(xiàn)多種物理量的高精度測量，這使得FBG傳感器近二十年來在準靜態(tài)領域取得了長足的發(fā)展[21][22]；此外，F(xiàn)BG還具有不受光源起伏影響、利于波分復用、易于實現(xiàn)網絡化等優(yōu)點，故其在光通信領域和光傳感領域均具有廣闊的應用前景。FBG傳感器所具有的以下幾個特點使其非常適合作為軟體手術機器人的力感知元件：（1）FBG為波長調制型器件，與傳統(tǒng)的干涉型光纖傳感器相比，其避免了由于光
饜倒?司的研究熱點。歐洲方面，都靈理工大學力學系的M.Sorli等于1994年前后基于著名的Gough-Stewart并聯(lián)平臺[23][24]設計了一種六自由度的Stewart力（矩）傳感器，并對其靜態(tài)性能以及動態(tài)性能進行了分析[25][26]。借助Stewart并聯(lián)平臺特殊的空間幾何結構，傳感器所受到的空間力及力矩可以通過非常簡單的數學模型（如圖1-3）與六根并聯(lián)支承桿上的受力關聯(lián)起來，分析結果顯示出了良好的重復性和精度，動態(tài)測試過程中出現(xiàn)的非線性特征主要來源于并聯(lián)平臺中球關節(jié)在受力運動中的摩擦和死區(qū)效應。(a)Stewart傳感器機構簡圖(b)俯視示意圖(c)Stewart傳感器實物圖1-3都靈理工大學于1994年前后所提出的Stewart力（矩）傳感器[26]：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]漸進式內窺鏡形狀的感知和重建[J]. 錢晉武,鄭慶華,張倫偉,沈林勇,章亞男. 光學精密工程. 2004(05)
博士論文
[1]面向單孔腔鏡手術的連續(xù)型機械臂及其運動建模的研究[D]. 楊文龍.哈爾濱工業(yè)大學 2016
碩士論文
[1]單孔腹腔微創(chuàng)手術機器人的機械臂系統(tǒng)研究[D]. 韓大為.哈爾濱工業(yè)大學 2012
本文編號：3603178
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