多臂手术机器人效能优化研究及虚拟仿真系统构建

摘要

多臂手术机器人性能优越但结构复杂，其术前摆位问题直接关系到性能发挥与手术安全。故多臂手术机器人的术前摆位问题至关重要。然而，目前的术前摆位大多依靠医生的经验完成。该方法需要医生经过专业训练，且受到医生的手术习惯等主观因素影响，给手术带来了风险。为此，本文提出一种基于多臂手术机器人效能的术前摆位优化方法，并建立虚拟手术机器人仿真系统，通过虚拟仿真及虚实融合技术开展多臂手术机器人的术前摆位实验研究。
　　本文分析了多臂手术机器人机械臂的结构特点，确定了术前摆位优化变量。将手术空间划分为若干子工作空间，依据手术热点将各子工作空间赋予不同权重。本文建立了三种手术机器人效能指标，并依此建立了三种优化目标函数。建立了表征单条机械臂灵巧度的全局各向同性优化函数，表征多条机械臂协同操作能力的多臂协作能力函数，以及为防止腔外机械臂发生干涉的多臂最大距离函数。
　　本文将术前摆位优化视为有约束条件的最优化问题，提出了一种结合粒子群优化和高斯过程的全新算法。利用粒子群算法开展每一步迭代优化。在每一步迭代过程中，高斯过程回归用来预估全局最优值。通过不断迭代最终获得手术机器人的最佳术前位姿。
　　本文分析了多臂手术机器人持镜臂和持械臂的全运动学。将主操作手与执行机构末端形成映射，对机械臂和末端执行机构建立全运动学模型。在此基础上，建立了多臂手术机器人的虚拟仿真系统。进一步实现真实手术机器人与虚拟手术对象的虚实融合。
　　本文针对上述内容开展了实验研究。首先探究了虚拟仿真系统中虚拟手术机器人运动的正确性。借助机器人虚拟仿真系统验证了基于粒子群-高斯过程算法的术前摆位优化方法的有效性。进一步通过真实机器人再现了术前摆位的优化结果，并在此基础上基于机械臂多臂协调效能验证了优化结果的合理性。在虚实融合辅助的术前摆位实验中，使用真实的手术机器人操作虚拟微器械介入虚拟人体模型，进一步展现了术前摆位优化结果。

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第1章 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 微创手术机器人的研究现状

1.3 手术机器人术前摆位的研究现状

1.4 虚拟手术仿真系统的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 多臂手术机器人效能模型建立

2.1 引言

2.2 多臂手术机器人

2.3 手术机器人术前摆位分析

2.4 术前摆位优化函数构建

2.5 本章小结

第3章 基于粒子群-高斯过程的术前摆位优化

3.1 引言

3.2 粒子群算法及其在术前摆位优化中的应用

3.3 高斯过程及其在术前摆位优化中的应用

3.4 基于粒子群-高斯过程的术前摆位优化

3.5 本章小结

第4章 多臂手术机器人虚拟仿真系统构建

4.1 引言

4.2 虚拟手术机器人全运动学建模

4.3 手术机器人虚拟仿真系统构建

4.4 虚实融合辅助的术前摆位研究

4.5 本章小结

第5章 机器人虚拟仿真系统与术前摆位实验研究

5.1 引言

5.2 手术机器人虚拟仿真系统验证实验

5.3 基于虚拟仿真的术前摆位优化方法验证实验

5.4 基于真实机器人的术前摆位优化方法验证实验

5.5 虚实融合辅助的的术前摆位实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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