仿真环境下微创外科手术机器人远程操作研究

摘要

围绕远程手术技术发展需求,本文借助计算机虚拟技术和网络技术,以自主研制的“MicroHand A”主从式微创手术机器人系统为依托,对仿真环境下机器人辅助远程手术操作实现方法开展研究。主要完成如下几方面的工作:
　　1.结合主从式机器人系统的工作特点与网络传输特点,确定了远程仿真手术操作系统的架构。根据操作功能需求,将该系统划分为硬件设备、人机交互层、网络通讯和仿真环境几个部分,并分析分层体系中软硬件结构的设计需求。
　　2.建立从操作手的几何模型,并将其导入虚拟场景中,经过仿真场景中模型变换、投影变换与视口变换后,三维模型被映射成显示器下的二维图像。通过建立主、从操作手数学模型及两者在仿真环境下的位姿映射关系,获得了对实现虚拟环境下机器人及末端器械直觉控制的解决方案。
　　3.以软组织材料力学特性分析为基础,利用Marching Cube算法生成三角形面网格,并建立了网格中四面体单元的应力应变弹性力学方程。通过分析线性和通用粘弹性模型的本构关系,提出了离散化粘弹性模型的求解流程,并利用ANSYS对该模型进行仿真分析。
　　4.通过分析Internet不稳定时延对远程操作的影响,建立了网络延时下控制系统物理模型。在控制指令接收端建立动态队列机制,实现控制指令队列长度、数据包丢失概率以及主操作手数据采集频率的动态调整。最后,双机器人模型实验和螺旋曲线实验验证了所建立的仿真环境下微创外科手术机器人远程操作系统的有效性。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2外科机器人远程操作概述

1.3虚拟仿真系统概述

1.4本文的主要工作及章节安排

第二章 基于仿真环境远程手术操作系统架构

2.1系统组成

2.2人机交互与硬件设备

2.3医疗仿真结构

第三章 仿真场景和机器人模型建立

3.1构建虚拟场景

3.2场景矩阵变换

3.3主操作手模型

3.4从操作手模型

3.5主从映射

第四章 仿真环境下软组织模型

4.1软组织几何模型

4.2软组织力学模型

4.3软组织力学模型求解

4.4实验结果与分析

第五章 远程操作网络通讯

5.1 Internet时延

5.2 Internet远程操作物理模型

5.3通讯方式

5.4控制指令动态队列机制

5.5实验测试

第六章 全文总结

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢