脊柱微创手术机器人建模及误差补偿方法的研究

摘要

医疗机器人系统的研究已经成为机器人领域研究与开发的一个热点。在众多的医疗手术当中,微创手术具有创伤小,疼痛轻、恢复快等特点,但同时对手术操作的精准性、稳定性和医生的技能提出了较高的要求。因此将机器人技术应用到微创手术中成为微创手术的发展方向之一。本文首先针对研究内容参阅了相关的文献资料。在此基础上,与项目组成员合作研制开发了一台适用于脊柱微创手术的机器人试验样机,并利用该样机完成了脊柱微创手术的模拟实验与动物手术实验,实验结果表明机器人系统操作简单,直观,运行安全,可靠。本人在项目中完成了以下主要工作:
　　 1.根据机器人的机构设计,通过D-H法建立了手术机器人的杆件坐标系,从而得出机器人关节变量和机器人末端工具位姿的关系。
　　 2.由于空间坐标映射模型是脊柱微创手术机器人的关键技术,空间映射的误差也将影响整个系统的精度。本文利用基于矩阵奇异值算法求解空间映射变换参数,并对这一算法做了改进。
　　 3.为了提高脊柱微创手术机器人的绝对定位精度,本文在分析了映射误差产生因为的基础上,尝试利用神经网络对机器人的定位误差进行补偿,通过训练BP网络及RBF网络,优化网络参数,提高了机器人的定位精度。最后,对BP网络与RBF的补偿结果进行了分析与比较。
　　 4.设计了脊柱微创手术机器人的标定内容；完成了机器人平动自由度,旋转自由度,映射误差等内容的测试工作；设计并实现了人体脊椎骨模型实验,活体动物实验等工作,并对各项实验的结果作了分析。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 前言

第二节 脊柱外科手术导航技术

第三节 手术导航系统的发展

第四节 课题简介

1.4.1 课题的背景

1.4.2 本课题的研究目标

1. 4.3本论文的内容安排

第二章 脊柱微创机器人总体方案

第一节 引言

第二节 机器人机构系统的研究

2.2.1 位置调整自由度的设计

2.2.2 姿态调整自由度的设计

2.2.3 进针自由度的设计

第三节 电气控制系统的研究

2.3.1 电气控制系统结构

2.3.2 电机驱动方案选择

2.3.3 传感器方案选择

2 3.4诵讯方案的设计

2.3.5 控制柜的安装与配置

第四节 上位机软件系统的研究

第五节 机器人系统实物图

第六节 本章总结

第三章 脊柱微创手术机器人运动学模型分析

第一节 运动学数学基础

第二节 脊柱微创手术机器人的正运动学模型分析

第三节 脊柱微创手术机器人逆运动学分析

3.3.1 脊柱微创手术机器人逆运动模型分析

3.3.3 逆运动学仿真实验

第四节 本章总结

第四章 基于矩阵奇异值分解的坐标映射模型

第一节 引言

第二节 空间映射原理

第三节 基于矩阵奇异值分解的映射算法

4.3.1 奇异值分解

4.3.2 基于矩阵奇异值分解的映射算法

4.3.3 基于矩阵奇异值分解的映射算法的改进

4.3.4 迭代算法的实验验证

第四节 映射误差分析

4.4.1 CT图像信息产生的误差

4.4.2 操作造成的误差

4.4.3 标记点的选取不合理

4.4.4 标记点的个数对误差的影响

4.4.5 其他误差

第五节 本章总结

第五章 基于神经网络的误差补偿研究

第一节 引言

第二节 人工神经网络概述

5.2.1 人工神经网络基本原理

5.2.2 人工神经元模型

5.2.3 神经网络模型

第三节 基于神经网络的误差补偿研究

5.3.1 BP网络结构

5.3.2 BP网络的设计

5.3.3 BP网络误差补偿实验分析

5.3.4 径向基函数(RBF)网络结构

5.3.5 RBF网络的设计

5.3.6 RBF网络误差补偿实验分析

5.3.7 BP与RBF网络的比较

第四节 本章总结

第六章 脊柱微创机器人系统实验及其结果分析

第一节 引言

第二节 平移关节实验

第三节 旋转关节精度实验

第四节 映射误差实验

第五节 人体脊椎骨模型实验

第六节 活体动物实验

第七节 本章小结

第七章 总结与展望

第一节 论文总结

第二节 工作展望

参考文献

致谢