具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统研究.pdf

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1、硕士学位论文具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统研究RESEARCHONSEMI-PHYSICALROBOTSURGERYSIMULATIONSYSTEMWITHFORCEFEEDBACK王铄哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统研究硕士研究生：王铄导师：闫志远申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:621.865

2、.8DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHONSEMI-PHYSICALROBOTSURGERYSIMULATIONSYSTEMWITHFORCEFEEDBACKCandidate：ShuoWangSupervisor：ZhiyuanYanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：Jun

3、e,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要传统微创手术机器人训练系统在工作时一般将尸体或动物作为手术的操作对象，成本高昂；除此之外，现有系统也存在着诸如力反馈信息缺失，操作精度有限，真实性与沉浸感不足等问题。因此本文将搭建一套具有力反馈的机器人手术半实物仿真系统来解决上述问题。首先对具有力反馈的半实物环境中的相关技术进行研究。利用AR（AugmentedReality，AR）技术将虚拟的手术操作对象（虚拟软组织）融合进现实世界中实现虚实融合。为实现虚拟软组织

4、与真实从端远心机构间的交互，本文还分别将对虚实交互策略及碰撞检测算法进行研究。建立软组织的力学模型以描述其形变与反馈力间的关系。其次，建立主端的力反馈控制系统。首先对主操作手的运动学及动力学进行分析。然后对主端的力反馈控制系统进行分析，明确系统对力控制器的要求。依据相关要求设计变论域模糊PID控制器，改善PID参数在线自整定能力，提高反馈力的跟踪精度及系统动态性能。针对不同的输入信号进行仿真实验。为改善系统从端的操作精度，对从端的位置控制器进行设计。建立从端远心机构的运动学及动力学模型，设计传统的位置跟踪滑模控制器，尽管该控制器具有较高的控制精度，但其在控制过程中会产生较为

5、明显的震颤现象。为解决此问题，本文将基于模糊控制理论与李雅普诺夫稳定性依据对自适应模糊滑模控制器进行设计，在保证控制精度的同时，解决震颤问题。随后进行仿真实验。最后通过实验验证相关研究内容。首先搭建实验平台，然后验证本文提出的碰撞检测算法的高效性，其次通过软组织形变-反馈力实验验证力学模型的合理性。然后针对主端分别进行静态实验与动态性能实验，对变论域模糊PID控制器的控制效果进行检验。针对从端进行位置跟踪实验，对自适应模糊滑模控制器的相关性能进行检验。最后进行整套系统的性能测试实验。关键词：微创手术机器人；增强现实；虚实交互；变论域模糊PID控制；自适应模糊滑模控制-I-哈

6、尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractIntraditionaltrainingsystemofminimallyinvasivesurgicalrobot,corpsesoranimalsaregenerallyusedasobjectsforoperation,whichisverycostly.Inaddition,theexistingminimallyinvasivesurgicaltrainingsystemalsohasproblemssuchaslackofforcefeedbackinformation,limitedoperationprecisi

7、on,lackofauthenticityandimmersion,etc.Therefore,thispaperwillsetupasemi-physicalrobotsurgerysimulationsystemwithforcedfeedbacktosolvetheproblemsmentionedabove.Firstly,thekeytechnologiesinsemi-physicalenvironmentwithforcefeedbackarestudied.Thevirtualoperationob