喉部微创外科手术机器人控制系统设计与实验分析

摘要

本文针对喉部微创外科手术特点设计了喉部手术机器人控制系统，开发了控制系统原型样机。基于该样机进行了系列实验，验证了机器人完成设计任务的能力，并对机器人系统的各项性能参数进行测试，为进一步改进系统提供了实验依据，本文主要工作内容如下：
　　 (1)在分析喉部微创外科手术特点基础上，对喉部微创外科手术机器人系统进行建模和仿真。首先，应用D-H方法分别建立机器人主操作手、从操作手被动支架、主动支架及末端工具的运动学模型，用Matlab软件仿真出主操作手、从操作手末端工具的工作空间，确定主从操作手之间的运动比例映射系数；然后，以喉部微创外科手术机器人从操作手运动学模型为基础，对主从操作手之间的映射实现作了详细阐述；最后，针对喉部微创外科手术机器人末端工具的不同类型特点，设计了机器人的主从非冗余及冗余控制算法。
　　 (2)研制了喉部微创外科手术机器人控制系统。首先，分析了喉部微创外科手术机器人控制系统可采用的控制模式；其次，确定了控制系统体系结构，采用PC+DSP运动控制卡实现开放式控制系统结构设计；设计并搭建了机器人控制系统硬件平台及主从控制软件，满足了医疗机器人实时操作的要求。
　　 (3)进行了喉部微创外科手术机器人的实验。首先，测量了机器人从操作手末端工具控制点处初始化误差、重复定位误差等参数；其次，对影响机器人操作能力的末端工具夹持力大小及机器人从操作手刚度进行了测量及分析；最后，进行了主从操作映射误差测量实验、支撑喉镜狭小环境下模拟物缝合实验、缝合线新型打结方法的验证实验。实验结果表明，机器人具备完成各项设计任务的能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外医疗机器人发展简介

1.3喉部微创外科手术机器人

1.4本文的研究意义

1.5本文的研究内容

第二章 喉部微创外科手术机器人机械结构介绍

2.1喉部微创外科手术介绍

2.1.1喉部生理结构

2.1.2喉部微创外科手术布局

2.1.3喉部手术空间

2.2喉部微创外科手术机器人机构介绍

2.2.1微创外科手术机器人主操作部分

2.2.2喉部微创外科手术机器人从操作部分

2.3本章小结

第三章 喉部微创外科手术机器人运动学计算

3.1微创外科手术机器人主操作部分运动模型及工作空间

3.1.1 D-H方法简介

3.1.2数学模型

3.1.3主操作手数学模型及工作空间

3.2微创外科手术机器人从操作部分数学模型及工作空间

3.2.1被动支架数学模型及工作空间

3.2.2从操作手数学模型及工作空间

3.2.3主从控制比例系数确定

3.3机器人主从对应的实现

3.3.1主从非冗余控制

3.3.2主从冗余控制

3.4本章小结

第四章 喉部微创外科手术机器人控制系统设计

4.1控制模式选择

4.2控制系统硬件设计

4.2.1控制系统硬件设备

4.2.2系统设备连接

4.3控制系统软件设计

4.3.1软件基础

4.3.2控制软件实现

4.3本章小结

第五章 喉部微创外科手术机器人实验

5.1喉部微创外科手术机器人从操作手测试

5.1.1喉部微创外科手术机器人初始化定位误差测量

5.1.2喉部微创外科手术机器人从操作手重复定位误差

5.1.3喉部微创外科手术机器人末端工具夹持力测量

5.1.4喉部微创外科手术机器人末端工具转矩测量

5.1.5喉部微创外科手术机器人从操作手刚度测量

5.2喉部微创外科手术机器人缝合试验

5.3喉部微创外科手术机器人主从对应误差测量

5.4喉部微创外科手术机器人打结及缝合结拉紧试验

5.5本章总结

第六章全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致谢