發(fā)布時間：2017-10-08 19:38

  本文關(guān)鍵詞：結(jié)腸鏡機器人力感知與柔順控制研究

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【摘要】：由于現(xiàn)今社會污染的加重以及人們飲食結(jié)構(gòu)的改變,目前,全球結(jié)直腸癌發(fā)病率已位于男性癌癥的第三位,女性癌癥的第二位,其中我國的腸癌發(fā)病率增速達年均4%,是世界水平的兩倍。而目前常規(guī)結(jié)腸內(nèi)窺鏡在檢查過程中主動彎曲能力不足從而易引起病人嚴重不適和痛苦,甚至導(dǎo)致腸道穿孔,所以越來越多的學者嘗試將機器人技術(shù)引入結(jié)直腸鏡檢查過程中。由于人體腸道具有相對浮動性,形狀及位置不完全固定,為了提高結(jié)腸鏡機器人進行內(nèi)窺鏡檢查時的安全性以及可靠性,本文研究了結(jié)腸鏡機器人力感知系統(tǒng)以及基于力感知的結(jié)腸鏡機器人柔順控制系統(tǒng)和柔順控制算法。通過力感知系統(tǒng)實時監(jiān)測機器人與腸道壁的接觸壓力,機器人采用柔順控制算法使得機器人與腸道壁的接觸壓力始終保持在安全閾值之內(nèi),提高結(jié)腸鏡機器人腸道檢查過程中的安全性。具體研究內(nèi)容如下:一、力感知系統(tǒng)設(shè)計及其參數(shù)標定。通過對結(jié)腸鏡機器人蛇形本體部分表面受力變形的建模與仿真分析設(shè)計符合系統(tǒng)要求的壓力傳感器結(jié)構(gòu)以及壓力傳感器的信號采集系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上針對傳感器結(jié)構(gòu)特點進行力感知系統(tǒng)的參數(shù)標定。二、基于力感知的柔順控制算法研究。首先分析機器人各關(guān)節(jié)段運動姿態(tài)特點與相互關(guān)系,得到基于人工導(dǎo)向的主動彎曲控制方法;隨后針對結(jié)腸鏡機器人密閉的人體腸腔工作環(huán)境,對腸腔組織進行力學分析,并在機器人連續(xù)體各關(guān)節(jié)段之間串聯(lián)耦合的結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上,建立關(guān)節(jié)段與腸道的接觸模型,研究基于接觸力的機器人姿態(tài)修正算法;最后,融合力感知控制系統(tǒng),基于以上人工導(dǎo)向控制算法和機器人姿態(tài)修正算法得到機器人最終的柔順控制方法。三、控制系統(tǒng)搭建和實驗研究�？刂葡到y(tǒng)由三個子系統(tǒng)構(gòu)成:彎曲控制系統(tǒng)、前進控制系統(tǒng)以及力感知系統(tǒng),分別對該三個系統(tǒng)進行硬件和軟件的設(shè)計與調(diào)試。在此基礎(chǔ)上開展機器人彎曲實驗以及模擬結(jié)腸實驗,驗證基于力感知的柔順控制方法的正確性和可行性。實驗結(jié)果證明:所設(shè)計的力感知系統(tǒng)能夠在結(jié)腸鏡機器人彎曲運動時對在結(jié)腸鏡機器人本體部分施加的壓力進行實時感知,可以滿足結(jié)腸鏡機器人柔順控制的需要。另外模擬結(jié)腸實驗也證明基于力感知的結(jié)腸鏡機器人柔順控制算法可以有效地實時控制機器人與腸道壁的接觸壓力始終在安全閾值范圍之內(nèi),使機器人可以根據(jù)腸道的彎曲狀態(tài)實時控制機器人的彎曲姿態(tài)從而適應(yīng)腸腔環(huán)境,避開障礙,柔順地通過結(jié)腸。
【關(guān)鍵詞】：結(jié)腸鏡機器人 連續(xù)型機器人 力感知 柔順控制
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.1.1 課題來源10
• 1.1.2 研究背景10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析11-19
• 1.2.1 內(nèi)窺鏡機器人研究現(xiàn)狀及分析11-13
• 1.2.2 力感知與柔順控制研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.3 連續(xù)體機器人柔順控制研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3 本文研究內(nèi)容19-20
• 第二章 力感知系統(tǒng)設(shè)計20-38
• 2.0 結(jié)腸生物模型特性分析20-21
• 2.1 結(jié)腸鏡機器人整體結(jié)構(gòu)簡介21-24
• 2.2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計24-28
• 2.2.1 結(jié)腸鏡機器人本體表面受力變形建模與仿真分析24-26
• 2.2.2 結(jié)腸鏡機器人壓力傳感器結(jié)構(gòu)26-28
• 2.3 力感知信號采集與標定系統(tǒng)設(shè)計28-33
• 2.3.1 力感知系統(tǒng)信號采集電路設(shè)計29-30
• 2.3.2 傳感器標定實驗系統(tǒng)搭建30-33
• 2.4 力感知系統(tǒng)參數(shù)標定33-37
• 2.4.1 傳感器方向辨識33-35
• 2.4.2 傳感器壓力標定35-37
• 2.5 本章小結(jié)37-38
• 第三章 基于力感知的關(guān)節(jié)段柔順控制方法研究38-54
• 3.1 關(guān)節(jié)段運動姿態(tài)分析38
• 3.2 基于人工導(dǎo)向的主動控制方法研究38-40
• 3.3 關(guān)節(jié)段力感知理論研究40-46
• 3.3.1 結(jié)腸組織生物力學分析40-44
• 3.3.2 基于力感知的單關(guān)節(jié)段運動特性44-46
• 3.4 基于接觸力的機器人姿態(tài)修正算法46-51
• 3.4.1 關(guān)節(jié)段運動耦合關(guān)系分析46-49
• 3.4.2 關(guān)節(jié)段姿態(tài)修正理論分析49-51
• 3.5 融合力感知的人工導(dǎo)向主動柔順控制算法51-53
• 3.6 本章小結(jié)53-54
• 第四章 機器人控制系統(tǒng)設(shè)計54-67
• 4.1 控制系統(tǒng)硬件搭建54-59
• 4.1.1 彎曲控制系統(tǒng)54-56
• 4.1.2 前進控制系統(tǒng)56-58
• 4.1.3 基于力感知的整體硬件系統(tǒng)搭建58-59
• 4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計59-66
• 4.2.1 前進控制軟件設(shè)計59-62
• 4.2.2 彎曲控制軟件設(shè)計62-65
• 4.2.3 基于力感知的整體軟件設(shè)計65-66
• 4.3 本章小結(jié)66-67
• 第五章 實驗研究67-77
• 5.1 實驗系統(tǒng)介紹67-68
• 5.2 機器人彎曲實驗68-71
• 5.3 基于模擬結(jié)腸的運動實驗71-76
• 5.4 本章小結(jié)76-77
• 第六章 總結(jié)與展望77-79
• 6.1 總結(jié)77
• 6.2 展望77-79
• 參考文獻79-84
• 附錄84-90
• 作者在讀期間科研成果簡介90-91
• 致謝91-92

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1 陳林;奚如如;王興松;;套索驅(qū)動細長機器人的初步設(shè)計與試驗[J];機電工程;2011年03期

2 謝芝馨;;蘇聯(lián)機器人技術(shù)述評[J];機械與電子;1989年04期

3 羅飛，，余達太;主動式控制──機器人抑振控制的有效方式[J];機器人;1995年04期

4 盧桂章;當前高技術(shù)發(fā)展的前沿——機器人技術(shù)[J];天津科技;1995年01期

5 蘇陸;日本機器人技術(shù)與產(chǎn)品[J];全球科技經(jīng)濟w

本文編號：995929