介入导管机器人的可重构特性研究

摘要

微创介入手术以其创伤小、恢复快、效果好，成为近年来研究的热点。本文将在人体管道内介入操作的应用背景下，研究一种可重构的导管机器人及其仿真软件。该系统通过弯曲单元数量的增加、控制精度的提高来降低手术技术门槛；通过结构重构，满足手术环境变化对导管机器人结构的不同要求；采用自主运动规划算法实现对导管机器人的操作与控制，从而将医生从强辐射的手术现场解放出来。本项目提出的导管机器人系统，对人类生命质量的提高有着极其重要的意义。
　　本文首先通过模态函数法和直线/圆弧法建立管道模型的数字化描述方法，将手术任务要求、管道约束、障碍约束统一于对管道模型的描述与修改中。针对人体管道内介入操作需要，提出了可重构导管机器人的基本模块组成。并针对典型介入手术环境特征，建立机器人系列化和结构重构统一算法。
　　接着，基于运动等效法推导出单个弯曲单元操作空间、关节空间和驱动空间的映射关系；研究超冗余自由度链式系统的正向运动学可重构建模算法；基于管道描述模型，分别就环境管道外和环境管道内，研究超冗余自由度链式系统的逆向运动学可重构建模算法；针对弯曲单元关节变量的强耦合关系，基于螺旋理论建立可快速扩展的广义雅克比矩阵；分析了机器人的奇异性，建立了灵巧性、通过性的性能评价指标；针对典型介入手术任务，建立了自主运动规划算法；研究了此结构下的非线性方程组求全局最优解时初始值选取的原则。
　　然后，基于 C++语言和 OpenGL的 API，在 QT5.7平台上编制了机器人三维仿真软件SurgicalRobot。软件包括任务规划、结构重构、运动学、三维仿真等模块。
　　最后，运用三维仿真软件SurgicalRobot和MATLAB进行了手术任务约束下导管机器人的结构重构仿真，验证了可重构导管机器人基本模块中导管推送作业对扩大可达工作空间，扭转操作对扩大灵活工作空间的作用。基于该软件平台，对任务约束下机器人结构重构、运动学模型构建与任务规划算法的正确性与快速性进行了验证。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容与结构安排

第二章 导管机器人结构的可重构设计

2.1引言

2.2手术任务约束的数字化描述

2.2基于手术任务的机器人结构重构

2.3小结

第三章 导管机器人运动学的可重构研究

3.1引言

3.2超冗余导管机器人正向运动学建模

3.3超冗余导管机器人逆向运动学建模

3.4导管机器人的广义雅克比矩阵

3.5导管机器人的性能评价

3.6导管机器人的自主运动规划

3.7优化算法

3.8本章小结

第四章 可重构导管机器人的软件系统设计

4.1引言

4.2导管机器人软件功能需求分析

4.3软件功能模块组成

4.4导管机器人三维运动仿真

4.5本章小结

第五章 导管机器人可重构特性验证

5.1引言

5.2基于手术任务的导管机器人结构重构仿真

5.3以工作空间为优化目标的结构设计

5.4任务约束下的导管机器人运动学仿真

5.5本章小结

第六章 总结和展望

6.1研究总结

6.2后续展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文