近年來,力與形狀感知功能在不同機(jī)器人上的定制化設(shè)計(jì)和集成已成為世界范圍內(nèi)機(jī)器人學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一;對(duì)于具有特定結(jié)構(gòu),特定功能和特定應(yīng)用環(huán)境微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人,力與形狀感知功能的完善具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本課題在哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下,針對(duì)特定的單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多研發(fā)思路、研究經(jīng)驗(yàn)和參考方法。首先,建立基于FBG光纖和Frenet-Serret標(biāo)架的手術(shù)機(jī)器人器械的力與形狀感知系統(tǒng)。力感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的擬定,彈性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與布置、彈性關(guān)節(jié)力學(xué)模型的建立與三軸力、溫度解耦機(jī)制的建立;形狀感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容則主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的擬定,基于彈性關(guān)節(jié)的多點(diǎn)形狀測量設(shè)計(jì)和基于Frenet-Serret標(biāo)架的三維骨架重構(gòu)算法建立。在建立彈性關(guān)節(jié)的拉壓、彎扭模型的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,該設(shè)計(jì)消除了初步設(shè)計(jì)尺寸中存在的主觀不合理因素,提高了關(guān)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(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：144 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

手術(shù)機(jī)器人在不同外科手術(shù)中的應(yīng)用實(shí)例[4][5][6][7]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-（3）進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)手術(shù)的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人必須具備很好的生物兼容性。這限制了傳感器和相應(yīng)機(jī)構(gòu)的材料和類型選用；（4）所設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備良好的電磁兼容性，以保證其能與CT、PET、MRI等診斷技術(shù)共存；（5）微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的力及形狀感知系統(tǒng)應(yīng)作為平行于視覺系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，并應(yīng)具有足夠的工程價(jià)值；這對(duì)于感知系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性提出了要求。圖1-2微創(chuàng)腹腔手術(shù)機(jī)器人的末端控制器綜上所述，一個(gè)滿足微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人要求的力與形狀感知系統(tǒng)對(duì)傳感方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shí)，對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力及形狀感知系統(tǒng)的研制對(duì)于下一階段醫(yī)療機(jī)器人的進(jìn)步又具有戰(zhàn)略性的意義：可以預(yù)見，在不久的將來，當(dāng)?shù)诙�、第三個(gè)“達(dá)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(shù)機(jī)器人系統(tǒng)將能使微創(chuàng)手術(shù)的質(zhì)量更進(jìn)一步，其也將具有巨大的商業(yè)價(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景。光纖布拉格光柵傳感器（FBG）是在光纖上通過調(diào)制光纖的折射率形成的光學(xué)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(shì)[20]；同時(shí)，由于其對(duì)于溫度和應(yīng)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(lǐng)域的工程應(yīng)用場景中常借助FBG實(shí)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(zhǔn)靜態(tài)領(lǐng)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(fù)用、易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，故其在光通信領(lǐng)域和光傳感領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。FBG傳感器所具有的以下幾個(gè)特點(diǎn)使其非常適合作為軟體手術(shù)機(jī)器人的力感知元件：（1）FBG為波長調(diào)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(diǎn)。歐洲方面，都靈理工大學(xué)力學(xué)系的M.Sorli等于1994年前后基于著名的Gough-Stewart并聯(lián)平臺(tái)[23][24]設(shè)計(jì)了一種六自由度的Stewart力（矩）傳感器，并對(duì)其靜態(tài)性能以及動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分析[25][26]。借助Stewart并聯(lián)平臺(tái)特殊的空間幾何結(jié)構(gòu)，傳感器所受到的空間力及力矩可以通過非常簡單的數(shù)學(xué)模型（如圖1-3）與六根并聯(lián)支承桿上的受力關(guān)聯(lián)起來，分析結(jié)果顯示出了良好的重復(fù)性和精度，動(dòng)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(tái)中球關(guān)節(jié)在受力運(yùn)動(dòng)中的摩擦和死區(qū)效應(yīng)。(a)Stewart傳感器機(jī)構(gòu)簡圖(b)俯視示意圖(c)Stewart傳感器實(shí)物圖1-3都靈理工大學(xué)于1994年前后所提出的Stewart力（矩）傳感器[26]：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]漸進(jìn)式內(nèi)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(xué)精密工程. 2004(05)

博士論文
[1]面向單孔腔鏡手術(shù)的連續(xù)型機(jī)械臂及其運(yùn)動(dòng)建模的研究[D]. 楊文龍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016

碩士論文
[1]單孔腹腔微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂系統(tǒng)研究[D]. 韓大為.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012



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