显微外科手术机器人工作空间分析与综合

摘要

显微外科手术机器人是医疗机器人一个重要的研究领域，既涉及到了机器人相关的知识，又融合了显微外科学的诸多内容。本文以血管吻合显微手术为对象，对医生的动作进行了记录和量化分析，在此基础上得到了显微外科手术的基本操作的数据和空间布局。以数值方法、集合论、矩阵理论、计算机图形学以及机器人运动学为工具，深入的对显微外科手术机器人工作空间分析与综合两方面问题进行了研究。取得了如下主要成果： 采用蒙特卡罗方法，根据机器人关节空间到工作空间的运动学映射关系得到了机器人工作空间。对于平面机构的工作空间依照按列划分的方法得到了边界曲线以及对应的面积表达式。对于三维工作空间，在按层划分得到每一层的边界曲线的基础上，采用包络原理得到空间曲面的形状和体积表达式。在此基础上，定义并求解了机器人手术操作空间，给出了两个操作臂相互位置变化的时候，其几何形状和体积的变化关系。 对于机器人的在工作空间中某点的机构灵活度分析，综合了计算机图形学和机器人运动学的内容，提出了全拓扑分解法。根据显微手术操作的特点，提出了定向灵活度及对应的定向灵活工作空间的概念。将定向灵活工作空间的求解归结为对定常方向工作空间求图形交集的问题。由于上述分析方法不需要对位姿方程进行逆解计算，所以形式非常简单，易于工程应用。 提出了多因素条件下的显微外科手术机器人的优化设计方法。该方法不但综合了不同运动静力学性能指标，而且考虑到了工作空间对优化设计的影响。在综合考虑机器人手术操作空间存在性和双臂协调灵活性的基础上，对手术区域的布置问题进行了一定的探讨，给出了手术区域的优化布置的一些原则。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2手术机器人的研究现状与发展

1.3手术机器人机构的运动设计研究

1.3.1机器人操作臂的机构设计步骤

1.3.2基于工作空间的外科机器人设计研究

1.3.3外科机器人设计研究中的新课题

1.4确定工作空间的主要方法

1.4.1 工作空间分析的两个主要问题

1.4.2现有的确定工作空间的方法

1.4.3蒙特卡罗方法

1.4.4各种方法的特点

1.5本论文主要研究内容

第二章机器人运动学基础及显微手术操作空间测量

2.1位姿几何变换

2.1.1刚体位姿的确定

2.1.2多刚体之间的位姿关系

2.1.3两种重要的旋转矩阵

2.1.4变换矩阵的欧拉角表示法

2.2机器人位姿方程

2.2.1操作臂之间的位姿矩阵

2.2.2操作臂位姿方程的正逆解

2.3速度以及雅克比矩阵

2.3.1刚体之间的速度分析

2.3.2雅克比矩阵

2.3.3雅克比矩阵的求解

2.3.4雅克比矩阵的奇异性

2.4显微外科手术中医生动作的测量

2.5本章小结

第三章机器人工作空间的分析求解

3.1引言

3.2蒙特卡罗工作空间的构成

3.3求解平面机器人工作空间

3.3.1平面机构的工作空间边界曲线的分析求解

3.3.2平面机构的工作空间面积求解

3.4求解三维空间机器人的工作空间

3.4.1三维机构的工作空间边界曲面的分析求解

3.4.2三维机构工作空间体积的求解

3.5本章小结

第四章机器人机构灵活度

4.1引言

4.1.1平面机器人的转角范围和灵活度

4.1.2空间机器人的灵活度

4.1.3已有分析方法的特点

4.2平面机器人的灵活度分析

4 2 1关节运动无约束的机器人灵活度

4.2.2关节运动存在约束的机器人灵活度

4.2.3全拓扑分解法

4 3空间机器人灵活度分析

4 3 1服务球的剖分

4.3.2空间机构向平面机构的转化

4.3.3空间机构灵活性求解

4.3.4分析实例

4.4妙手系统的机构灵活度

4.5本章小结

第五章机器人定向灵活工作空间

5.1引言

5.2定向灵活空间与定常方向空间

5.3平面机构的定常方向空间

5.3.1方向角的方向矢量表示

5.3.2满足方向角的关节变量的求解

5.3.3指定方向角空间的求解

5.4平面机构定向灵活空间求解

5.4.1定向灵活空间求解的方法

5.4.2定向灵活空间图形交集的确定

5.4.3定向灵活空间的面积

5.5空间机器人的定向灵活度空间

5.5.1定向灵活度在三维空间中的数学描述

5.5.2满足定常方向的关节变量的求解

5.5.3定常方向工作空间的求解

5.5.4定向灵活度工作空间

5.6妙手系统定向灵活度和定向灵活空间

5.7本章小结

第六章机器人手术操作空间

6.1引言

6.2双臂机器人及操作空间建模

6.3平面机构操作空间分析

6.3.1操作空间的数学模型

6.3.2操作空间的边界求解

6.3.3操作空间面积的求解

6.4空间机器人操作空间分析

6.4.1操作空间的数学模型

6.4.2操作空间边界曲面的求解

6.4.3操作空间体积的求解

6.4.4妙手系统操作空间

6.5本章小结

第七章多因素条件下机器人机构的优化设计

7.1引言

7.2机器人的运动灵活度

7.2.1机器人机构的运动静力学性能指标

7.2.2矩阵的分解

7.2.3各种指标的数学描述

7.3关节配置方向

7.4平面二连杆操作臂的优化设计

7.4.1不同运动静力学指标的操作臂优化

7.4.2最大工作空间的操作臂优化

7.5平面三连杆操作臂的优化设计

7.5.1不同运动静力学指标的操作臂优化

7.5.2基于最大工作空间的操作臂优化

7.6本章小结

第八章手术区域的优化布置

8.1引言

8.2手术区域在单操作臂工作空间中的布置

8.2.1手术区域在工作空间中的存在性

8.2.2手术区域的运动灵活度

8.2.3分析实例

8.3手术区域在机器人手术操作空间中的布置

8.3.1手术区域在妙手系统操作空间中的布置

8.3.2手术区域在双臂Motoman操作空间中的布置

8.4动物实验

8.5本章小结

第九章全文总结

附录(A)

参考文献

致谢

发表论文和参加科研情况说明