磁锚定腹腔内手术机器人的设计与视觉伺服实验研究

摘要

单孔腹腔镜手术（LESS）具有切口小、疼痛轻、恢复周期短、并发症率低及美化伤疤效果等优点，成为微创手术的研究热点。机器人辅助单孔腹腔镜手术（R-LESS）不仅继承了LESS的优点和机器人技术精度高、效率高、灵活性高等优势，而且避免了医生的情绪、疲劳及手臂颤抖等主观因素对手术的影响，可以极大程度上的提高手术的精度和质量，具有重要的研究价值和美好的发展前景。
　　本文正是基于机器人技术、单孔腹腔镜技术和磁锚定技术设计了一款用于腹腔微创手术的机器人系统。采用基于视觉反馈的主从控制方案实现对机械臂的控制，并采用无线的方式进行通信以增加机器人的灵活性。首先根据机器人系统在手术中要实现的功能完成了机器人系统的结构设计，包括主操控平台和从动机器人本体两部分，其中从动机器人是设计的核心，它包括视觉单元和机械臂单元。根据机器人系统的主从控制方案及通信方式完成了上位机和下位机的电路设计并搭建了整个机器人系统的硬件平台。主操控平台包括主手、上位机控制单位和图像处理及显示单元组成，上位机控制单元采用STM32开发板，图像的处理及显示由PC机和图像采集卡组成，下位机采用基于PIC单片机的微控制单元。然后，通过对常用视觉伺服模型和磁锚定机器人的运动特点分析，采用基于图像的视觉伺服系统作为磁锚定手术机器人的视觉伺服控制系统。为了实现对机械臂的视觉伺服控制，建立机械臂的运动学模型和摄像机成像模型，并求解机器人雅克比矩阵和图像雅克比矩阵，从而建立世界坐标系、机器人坐标系和图像坐标系之间的转换关系。在MATLAB中进行了仿真分析验证了所采用视觉伺服模型的可行性。最后，搭建磁锚定手术机器人系统视觉伺服控制系统的实验平台，完成了上文机和下位机控制程序的设计，并运用MFC和OpenCV开发了主操控台 GUI界面。通过实验验证了磁锚定手术机器人系统所采用的基于图像的视觉伺服控制系统是可行的。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及研究意义

1.2腹腔微创手术机器人国内外研究现状

1.3课题的来源

1.4课题的主要研究内容

第2章 磁锚定手术机器人的结构及硬件设计

2.1引言

2.2机器人系统整体设计方案

2.3机器人系统结构设计

2.4机器人系统硬件设计

2.5本章小结

第3章 磁锚定手术机器人视觉伺服系统及图像特征提取方法

3.1引言

3.2机器人视觉伺服概述

3.3图像处理与目标识别

3.4机器人运动学模型的建立与求解

3.5摄像机模型的建立与求解

3.6磁锚定机器人视觉伺服系统模型的建立与求解

3.7本章小结

第4章 磁锚定手术机器人系统实验研究

4.1引言

4.2实验台的搭建

4.3控制系统软件设计

4.4机器人系统视觉伺服控制实验与分析

4.5小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及申请的专利

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