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基于在线估计的柔性针穿刺系统控制方法研究

孔令国  
【摘要】:穿刺术在医学治疗、诊断方法和科学研究方面有着重要的影响,也被认为是最简单和最微创的医疗手段。机器人辅助穿刺系统作为微创外科手术机器人的一类,因其具有定位准确、不怕辐射的优点受到了科研人员及医生的广泛关注。但当前穿刺用的都是钢针,只能直线进针,无法规避直线路径上的血管、神经等敏感组织。针对钢针应用中出现的问题,本文开展了机器人辅助柔性针穿刺技术研究,通过对针尖路线的灵活控制来提高穿刺精度,并使得针尖到达非直线轨迹目标。首先,针对计算机断层扫描(CT)、超声等成像设备无法直接获取柔性针姿态信息的限制,开展了柔性针平面穿刺控制方法研究。在柔性针非完整约束非线性运动学模型的基础上,对其降维平面控制模型进行了精确反馈线性化,同时利用龙伯格观测器对柔性针针尖姿态进行在线估计,然后利用估计状态进行状态反馈控制。为了进一步提高系统对噪声的适应性,本文提出了一种基于线性二次高斯(LQG)框架的平面控制方法,利用卡尔曼(Kalman)滤波器对系统状态进行在线估计,并利用线性二次最优控制(LQR)设计了系统反馈控制律。其次,为了克服精确反馈线性化方法中噪声对控制律反解影响过大的缺点,本文将柔性针平面控制模型进行了局部近似线性化,结合扩展卡尔曼(EKF)滤波和无迹卡尔曼(UKF)滤波两类基于噪声统计特性的滤波方法,开展了基于柔性针非线性系统状态在线估计的控制方法研究。仿真结果表明该方法提高了系统状态在线估计精度,进而改善了系统控制效果。再次,将柔性针平面控制和二维路径规划相结合,并利用平面切换的思想,提出了一种柔性针三维空间控制策略。文中重点分析了平面切换过程中柔性针在两平面固接坐标系下位姿的对应关系,并利用平面控制方法将柔性针初始姿态角度调整到平衡状态,然后对两平面分别进行路径规划以实现柔性针三维策略。最后,介绍了机器人辅助柔性针穿刺实验平台,对基于双目相机的系统测量噪声进行了深入分析,并以此为基础,对本文提出的理论方法进行了实验验证。综上所述,本文针对机器人辅助柔性针穿刺系统控制方法开展深入研究,将平面控制与二维路径规划相结合,实现了柔性针三维控制策略,实验取得了良好的效果,为进一步将机器人辅助柔性针穿刺技术推向临床打下了坚实的基础。


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1 孔令国;基于在线估计的柔性针穿刺系统控制方法研究[D];东北大学;2014年
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