基于力反馈技术的虚拟手术硬件平台的研究与实现

论文摘要

近年来,医疗事故愈发频繁,医患矛盾成愈演愈烈之势。而医疗事故中因手术医生失误而造成的外科手术事故占其中很大的比例。对于手术医生的培养与训练越来越受到重视,而传统的手术培训有诸多限制性因素,造成其并不能满足实际需求,虚拟现实技术的发展有望解决传统手术培训方式的不足,从技术上带来革命性的进步。基于力反馈的虚拟手术系统则能使操作者有更强的交互性,是对虚拟现实技术中触觉这一特征的探索。本文以基于力反馈的虚拟手术系统的硬件平台展开研究。论文按照从理论到应用,从设计到实现的技术路线,在虚拟手术系统的整体框架下,对虚拟力觉和多自由度力反馈机械臂及相应的控制系统进行研究,并结合二自由度力反馈实验平台和六自由度力反馈虚拟手术硬件平台的设计、加工和装配调试过程中的经验,对力反馈硬件平台的关键技术进行深入研究。本文探索基于力反馈的虚拟手术硬件平台的搭建,分别从力反馈机械臂的设计与分析仿真、下位机传感和控制的设计、上位机通信以及虚拟手术环境软件平台四个方向进行研究。重点研究了力反馈机械臂的设计和控制系统。机械臂的设计结合虚拟力觉和虚拟手术的实际需求,为了试验验证虚拟力觉开发了二自由度实验平台,并结合虚拟手术实际需求开发了六自由度力反馈虚拟手术平台,对六自由度力反馈机械臂的运动学和动力学进行了分析,研发了其配套的控制系统。同时对下位机控制系统和上位机系统进行了研究,并对虚拟手术软件平台进行了简要的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 本论文研究的目的和意义
• 1.2.1 虚拟手术的目的及意义
• 1.2.2 力反馈装置在虚拟手术、虚拟设计中的意义
• 1.3 当前国内外具有力反馈的虚拟手术平台研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文的研究内容及组织结构
• 第2章 具有力反馈的虚拟手术器械的原理及构成
• 2.1 虚拟力觉的原理
• 2.2 硬件平台的原理及构成
• 2.3 多自由度力反馈机械臂的结构设计
• 2.3.1 二自由度力反馈器实验平台
• 2.3.2 六自由度力反馈机械臂的设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 六自由度机械臂运动学分析
• 3.1 机械臂的运动学建模概述
• 3.1.1 基于闭环矢量法的系统运动学模型
• 3.1.2 D-H法建立运动学模型
• 3.2 机械臂正运动学模型
• 3.3 机械臂逆运动学模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 六自由度机械臂动力学分析
• 4.1 机械臂运动学分析方法论述
• 4.1.1 拉格朗日基本原理
• 4.1.2 Kane法
• 4.2 六自由度力反馈机械臂运动学计算方法
• 4.3 基于ADAMS的机械臂运动仿真
• 4.3.1 模型的建立与导入
• 4.3.2 仿真分析
• 4.3.3 本章小结
• 第5章 六自由度力反馈机械臂控制系统硬件设计
• 5.1 下位机控制系统总体设计规划
• 5.2 主要功能器件的选型及电路设计
• 5.2.1 主控制器的选型和设计
• 5.2.2 传感器的选型和设计
• 5.3 电机的选型及驱动模块的设计
• 5.3.1 电机的选型
• 5.3.2 电机驱动模块的设计
• 5.4 通信接口设计
• 5.5 控制算法的选择
• 5.6 本章小结
• 第6章 虚拟手术软件系统
• 6.1 上位机程序的设计
• 6.1.1 虚拟手术的上位机
• 6.1.2 上位机程序设计
• 6.1.3 控制界面的显示与操作
• 6.2 虚拟手术的系统
• 6.2.1 几何建模和物理建模
• 6.2.2 软组织形变模拟
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 研究内容总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目