腹腔微创手术机器人远心机构设计及其视觉伺服控制

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1、工程硕士学位论文腹腔微创手术机器人远心机构设计及其视觉伺服控制DESIGNANDVISUALSERVOCONTROLOFABDOMENMINIMALLYINVASIVESURGERYROBOT’SREMOTECENTEROFMOTIONMECHANISM仲杰哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP273.2学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文腹腔微创手术机器人远心机构设计及其视觉伺服控制硕士研究生：仲杰导师：高会军教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授

2、予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273.2U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDVISUALSERVOCONTROLOFABDOMENMINIMALLYINVASIVESURGERYROBOT’SREMOTECENTEROFMOTIONMECHANISMCandidate：ZhongJieSupervisor：Prof.GaoHuijunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeri

3、ngSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近年来，随着机器人技术的飞速发展，机器人已经开始在微创手术领域得到应用。由机器人辅助的微创手术，不仅可以提高手术的操作精度，使之前无法实施的手术有了实施的可能，还可以减少因人为因素造成的手术失败的风险，减轻医生的体力劳动，

4、加快患者康复的速度。目前针对机器人辅助腹腔微创手术，各大研究机构均有较多的研究和成果。在微创手术机器人系统中，机器人需要具备夹持内窥镜、手术钳等手术器械并将它们的摆动支点定位在手术切口的功能，而远心机构便可以很好地实现这一功能。本文便是在这一需求下对远心机构进行了研究。本文首先设计了远心机构的结构。设计基于实际的腹腔微创手术要求，为了增大远心机构的运动空间而不使机构本身占用的空间过大，本文在查阅了目前常见的远心机构的构型后，选择了一种弧形结构进行改进，实现了行程倍增的效果，这种结构较之于目前现有的结构有所创新。之后使用3D建模软件进行了

5、整体机构的三维建模。本文对所设计的远心机构进行了运动学和力学分析。在运动学分析中，本文采用D-H法，建立了机构的关节坐标系，得出关节的D-H参数后推导出了正向运动学的变换矩阵以及仿真了机构的工作空间范围，另外计算了运动学反解，并使用虚功原理分析了机构摆动关节的静力学。在远心机构的控制方面，本文采用了基于图像和机器人运动学的无标定视觉伺服控制方法。首先建立整体基于运动学的视觉伺服控制方案，之后根据无标定相机参数的不确定性，设计了用于估计相机参数的自适应算法，并使用李雅普诺夫函数验证了稳定性，在得到估计的透射投影变换矩阵之后进行图像雅克比矩

6、阵的计算和视觉伺服控制器的设计，并使用李雅普诺夫函数验证了闭环系统的稳定性。最后，本文通过实验研究进行了远心机构实物样机的功能测试和视觉伺服控制，验证了控制算法的稳定性和实用性。关键词：微创手术机器人；远心机构；结构设计；无标定视觉伺服-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofrobotics,roboticshasbeguntobeappliedinthefieldofminimallyinvasivesurgery.Robot-assistedm

7、inimallyinvasivesurgerycannotonlyimprovetheaccuracyofsurgicaloperationsandmakeitpossibletoimplementpreviouslyinoperablesurgery,butalsoreducetheriskofsurgicalfailureduetohumanfactors,reducethephysicallaborofdoctors,andacceleratetherecoveryofpatients.Atpresent,therearemany

8、researchesandachievementsinrobot-assistedabdominalminimallyinvasivesurgery.Intheminimallyinvasivesurgic