肝脏介入治疗辅助机械臂虚拟环境搭建及其闭环运动控制

摘要

近年来,机器人辅助外科手术技术得到了广泛的应用。本课题结合国家自然科学基金项目“肝脏介入治疗关键技术的研究”,在已有介入治疗机器人的基础上，引入了虚拟现实技术,建立了机器人的虚拟环境。借助于光学定位系统完成了介入治疗辅助机器人的闭环控制。
　　对介入治疗机器人的结构进行了分析,利用DH法对机械臂进行了正逆解、运动空间以及雅克比矩阵的求解。对机器人的控制平台做了简单的介绍,对空间定位方式进行了分析,选择了光学定位仪作为手术导航设备,为系统的闭环控制平台的搭建做准备。
　　结合三维建模软件Solidworks,运用WPF建立了虚拟环境和介入治疗辅助机器人的三维模型。设计了基于 VC++机器人的开环运动控制界面,借助于 C语言中对内存的操作实现了虚拟环境与机器人控制系统的数据传输。实现了基于虚拟环境的机器人运动控制界面。
　　提出虚拟现实系统整体框架,设计了系统的闭环控制流程。在对四元数与欧拉角关系分析的基础上建立了以四元数形式表示位姿信息的位姿信息采集程序。在分析了机器人追踪器坐标系和目标位置追踪器坐标系的坐标转换关系的基础上，建立了系统的闭环控制系统。
　　以验证虚拟现实系统的可用性为目的,搭建了系统的实验平台,并做了三组实验。分别是在无补偿开环系统、有补偿开环系统和有补偿闭环系统的三种情况下真实机器人与虚拟机器人的运动结果。对三组实验结果进行分析,验证了虚拟系统的可行性。

目录

肝脏介入治疗辅助机械臂虚拟环境搭建及其闭环运动控制

VIRTUAL ENVIRONMENT AND COLSE LOOP CONTROL SYSTEM FOR AN AUXILIARY ROBOT IN LIVER THERAPY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.2.1 课题背景

1.2.2 课题研究的意义

1.3 国内外现状及分析

1.3.1 国内外医疗辅助机器人的发展现状

1.3.2 虚拟手术仿真系统发展现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 介入治疗机械臂的硬件系统

2.1 引言

2.2 机器人单元

2.2.1 机器人的结构

2.2.2 机器人运动学分析

2.2.3 机器人运动空间分析

2.2.4 机器人雅克比矩阵

2.3 系统的控制单元

2.3.1 硬件部分

2.3.2 定位设备的选择

2.4 本章小结

第3章 虚拟环境的设计

3.1 引言

3.2 虚拟现实系统设计

3.2.1 虚拟环境中模型的表示方法

3.2.2 虚拟机器人及其虚拟环境的建立

3.3 机械臂控制系统的搭建

3.4 基于虚拟现实的控制界面搭建

3.4.1 虚拟机器人与真实机器人数据交换实现

3.4.2 虚拟系统的建立

3.5 本章小结

第4章 介入治疗系统闭环控制系统的设计

4.1 引言

4.2 系统的整体结构

4.3 基于光学定位仪的闭环控制系统设计

4.3.1 机械臂的闭环控制流程

4.3.2 光学定位仪中信息采集界面的设计

4.3.3 位姿信息采集程序与控制系统的通信

4.3.4 闭环控制系统的实现

4.4 本章小结

第5章 实验平台搭建及实验

5.1 引言

5.2 实验平台的搭建

5.3 实验及分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢