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6自由度主控端设备设计及其在手术机器人控制系统中的集成

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目录

Chapter 1 Introduction

1.1 Motivation of this study

1.2 Organization and contributions

Chapter 2 Literature review

2.1 Master devices in surgical robotic systems

2.2 Design concept

2.3 Performance parameters of the master device

Chapter 3 Kinematics analysis and workspace optimization

3.1 Nomenclatures and coordinate systems

3.2 Two structural designs based on workspace comparison

3.3 Spatial arrangement optimization

3.4 Mechanical design

Chapter 4 Statics analysis

4.1 Instantaneous kinematics

4.2 Maximum of external wrenches in workspace

Chapter 5 Master-slave control system of a surgical robotic system

5.1 A robotic system for transurethral bladder surgeries

5.2 Slave side control system

5.3 Control system implementation and integration

5.4 Framework for state switching and programming

5.5 CANopen communication optimization

Chapter 6 Implementation and experimentation

6.1 Kinematics calibration of the master device

6.2 Calibration of the force/torque outputs

6.3 Integration and performance evaluation

Chapter 7 Conclusions and future work

7.1 Conclusions and contributions

7.2 Future work

参考文献

声明

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摘要

在主从控制的手术机器人系统的开发中,主控端设备渲染了外科医生的手和远端环境之间的相互作用。在理想情况下,一个主控端设备应该同时具有6自由度的输入和力及力矩的输出。使用这样的设备,外科医生手的位置和指向就可以被很好地传递到从控端的机器人;与此同时,手也可以接收到力及力矩作用,以使环境的触觉反馈被外科医生感知。另一方面,一个拥有力及力矩输出的主控端设备可以进行自重力补偿,这样外科医生在手术过程中可以随时松开手以缓解疲劳。另外,当外科医生手移动的过快或者移向了错误的方向,力及力矩的渲染可以用来给医生以力反馈。
  本研究提出了一个新颖的构建主控端设备的方法,实现了上述的主控端功能。首先,通过仔细分析系统的运动学性能和力学性能,得到了能够获得最佳操作性能的构型,并且据此进行了机械结构的设计。针对制造的设备,研究进行了运动学和力学的标定,获得了精准的位姿输入性能和线性的力学输出。最后,研究进行了性能量化实验来验证主控端设备的规格指标。
  研究还完成了从控端手术机器人控制系统的设计,给出了完善的控制架构框图和控制算法,详细介绍了提升设备通讯速率和缩短伺服循环周期的创新性方法。
  最后,主控端设备被成功集成在整个控制系统中,进行了实际的主从控制操作实验演示。

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