手術機器人導航與控制

王君臣

  • 出版商: 人民郵電
  • 出版日期: 2024-10-01
  • 定價: $1,019
  • 售價: 8.5$866
  • 語言: 簡體中文
  • 頁數: 358
  • ISBN: 7115645272
  • ISBN-13: 9787115645272
  • 相關分類: 機器人製作 Robots
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商品描述

最近十幾年,手術機器人技術發展迅 速,在學術界和產業界都出現了一大批代表性成果。本書以手術機器人為研究對象,介紹了作者在這一領域近20年的所學所得和研究成果。全書共9章,內容包含手術機器人概述、醫學影像智能分析、術中定位與多源感知、空間配準與手術導航、手術機械臂運動學與標定、手術機械臂的線性控制、手術機械臂的非線性控制、手術機械臂的力控制以及手術機器人系統開發與實驗。本書詳細闡述了相關的理論模型和技術細節,並提供模擬結果或應用實例。

本書既可以作為機器人工程相關專業研究生的教學參考用書,也可以作為從事手術機器人研究的工程技術人員的參考資料。

作者簡介

作者简介(主要教学科研经历、曾获得主要教学科研奖励情况)

王君臣

北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授、博士生导师,国家一 流本科生课程主讲教师,《机械工程学报》和《机器人》期刊青年编委。长期从事手术机器人导航与控制相关的科学研究工作,主要研究方向为机器人控制、外科手术视觉、医学图像计算与微创手术导航。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、国际交流合作项目、重点项目课题,国家重点研发计划“智能机器人”与“数字诊疗”专项等国 家级项目、课题十项,省部级项目五项。近年共发表论文一百余篇,以一作或通信作者发表SCI论文三十三篇,主编本科生教材一部。以第 一发明人获中国、美国、日本授权发明专利共十七项、专利成果转化七项。

目錄大綱

第1章 手術機器人概述

1.1手術機器人的概念 002

1.1.1外科手術的發展趨勢與挑戰 002

1.1.2手術機器人的定義 002

1.1.3手術機器人系統的組成 003

1.1.4手術機器人的控制方式 004

1.2手術機器人的發展簡史 005

1.2.1國外手術機器人的發展簡史 005

1.2.2國內手術機器人的發展簡史 008

1.3剛性手術機器人 011

1.3.1軟組織主從操作手術機器人 012

1.3.2硬組織導航定位手術機器人 013

1.3.3穿刺手術機器人 014

1.4連續體手術機器人 015

1.4.1結構形式 016

1.4.2驅動方式 016

1.4.3運動學模型 018

1.4.4動力學模型 019

1.4.5應用場景 019

本章小結 023

參考文獻 023

第2章 醫學影像智能分析

2.1常用醫學影像模態及其特點 029

2.1.1X射線成像 029

2.1.2X射線電腦斷層成像 029

2.1.3磁共振成像 030

2.1.4超聲成像 030

2.2深度學習 031

2.2.1張量 031

2.2.2自動求導 032

2.2.3計算圖與反向傳播算法 033

2.2.4多層感知機 034

2.2.5捲積神經網絡 036

2.2.6循環神經網絡 038

2.2.7編碼器-解碼器架構 039

2.2.8Transformer 040

2.2.9強化學習 043

2.2.10生成對抗網絡 047

2.2.11深度學習的學習方式 047

2.2.12趨勢和挑戰 050

2.3智能診斷 050

2.3.1分類診斷 050

2.3.2目標檢測 052

2.4醫學影像智能分割 054

2.4.1分割網絡基本結構 055

2.4.2典型語義分割網絡 055

2.4.3實例分割網絡 056

2.4.4Transformer分割網絡 057

2.5圖像配準 057

2.5.1有監督圖像配準 058

2.5.2無監督圖像配準 058

2.6標志點檢測 059

2.6.1坐標回歸 059

2.6.2熱圖預測 059

2.7應用舉例 061

2.7.1耳蝸結構自動分割 061

2.7.2腹部多器官自動分割 064

2.7.3顱頜面多組織結構自動分割 067

2.7.4顱頜面標志點自動精確定位 071

本章小結 075

參考文獻 075

第3章 術中定位與多源感知

3.1相機標定 081

3.1.1針孔成像模型 081

3.1.2相機內參數推定 082

3.1.3相機外參數推定 084

3.1.4鏡頭畸變建模與校正 085

3.1.5立體視覺標定 086

3.1.6立體視覺校正 087

3.2基於雙目視覺的目標跟蹤 088

3.2.1X角點與視覺標志物 089

3.2.2SVM分類 090

3.2.3X角點亞像素定位 090

3.2.4三維坐標計算 091

3.2.5姿態信息計算 092

3.2.6跟蹤穩定器 094

3.2.7工具末端標定 095

3.3體內術野三維重建 096

3.3.1像素匹配代價計算 097

3.3.2代價聚合與視差圖計算 099

3.3.3三維腹腔鏡三維重建 101

3.3.4高光與器械遮擋的重繪補償 102

3.4基於超聲信號的淺表器官三維重建 104

3.4.1超聲探頭標定 106

3.4.2超聲圖像分割 107

3.4.3超聲體數據三維重建 109

3.4.4基於貝塞爾曲線的實時三維重建 111

3.4.5實驗驗證 113

本章小結 115

參考文獻 115

第4章 空間配準與手術導航

4.1手術導航系統的組成 119

4.1.1跟蹤定位儀 119

4.1.2空間配準系統 119

4.1.3可視化顯示系統 121

4.2基於點的配準算法 123

4.2.1問題描述 123

4.2.2AOP問題的封閉解 124

4.2.3考慮噪聲模型的點對配準算法 124

4.2.4誤差傳遞與目標配準誤差預測 126

4.2.5數值模擬 128

4.3加權尺度點對配準 130

4.4最近點迭代算法 131

4.4.1剛性ICP算法 131

4.4.2非剛性ICP算法 132

4.4.3ICP算法的變種 134

4.4.4配準應用舉例 135

4.5一致點漂移算法 138

4.5.1CPD算法框架 138

4.5.2剛性CPD算法 139

4.5.3仿射CPD算法 140

4.5.4非剛性CPD算法 141

4.5.5CPD算法加速 142

4.5.6配準應用舉例 143

4.6數據歸一化 144

4.7三維-二維配準 145

4.7.1形狀表徵和相似性定義 145

4.7.2視圖生成 146

4.7.3形狀特徵提取 147

4.7.4視圖聚類 148

4.7.5在線匹配 149

4.7.6位姿恢復 150

4.7.7配準應用舉例 151

4.8虛擬現實導航 154

4.8.1虛擬相機 154

4.8.2虛擬圖像生成 155

4.8.3應用舉例 157

4.9增強現實導航 161

4.9.1HoloLens顯示裝置 161

4.9.2HoloLens離線標定 162

4.9.3原位融合顯示方法 164

4.9.4HoloLens在線校正 165

4.9.5應用舉例 166

本章小結 166

參考文獻 167

第5章 手術機械臂運動學與標定

5.1相關符號與基礎 171

5.1.1反對稱矩陣 171

5.1.2矩陣指數 171

5.1.3李群與李代數 172

5.1.4速度旋量 174

5.1.5力旋量 175

5.1.6螺旋軸 176

5.2基於旋量的運動學建模 177

5.2.1運動學參數 177

5.2.2從URDF文件提取運動學參數 178

5.2.3從M-DH參數表提取運動學參數 179

5.2.4基於指數積的運動學正解 180

5.3雅可比矩陣 181

5.3.1廣義雅可比矩陣 181

5.3.2速度旋量雅可比矩陣 181

5.3.3其他形式的雅可比矩陣 182

5.3.4力雅可比矩陣 184

5.3.5奇異性 184

5.4速度逆解 185

5.4.1廣義逆法 186

5.4.2梯度投影法 186

5.5運動學位置逆解 187

5.5.1通用位置逆解算法 187

5.5.2算法實驗與結果 188

5.6相鄰三軸平行的六自由度機械臂位置解析逆解 188

5.6.1求解1、5、6關節角度 189

5.6.2求解2、3、4關節角度 190

5.6.3分析與討論 192

5.6.4解析逆解舉例 192

5.7S-R-S構型的七自由度機械臂位置解析逆解 193

5.7.1M-DH建模 194

5.7.2參考平面與臂角 195

5.7.3位置逆解 197

5.7.4臂角求解 198

5.7.5臂角深入討論 198

5.8手術機器人手眼標定 203

5.8.1手眼標定的數學模型 203

5.8.2手眼變換矩陣的線性解耦估計 204

5.8.3手眼變換矩陣的非線性同步估計 204

5.9基於MLE的手眼標定算法 205

5.9.1符號與表示 206

5.9.2測度函數 207

5.9.3測度函數的雅可比矩陣 208

5.9.4數值模擬實驗 209

本章小結 210

參考文獻 211

第6章 手術機械臂的線性控制

6.1系統穩定性 213

6.1.1線性系統穩定性 213

6.1.2李雅普諾夫間接方法 214

6.1.3不變集 216

6.1.4LaSalle定理 216

6.1.5一致最終有界 216

6.2關節電機速度控制 217

6.2.1系統模型 217

6.2.2速度開環控制 218

6.2.3速度閉環控制 219

6.3關節空間軌跡控制 220

6.4任務空間軌跡控制 221

6.5手術機械臂RCM約束 223

6.5.1RCM實現方式 224

6.5.2RCM約束解耦控制 225

6.5.3基於旋量的RCM約束軌跡生成 226

6.5.4RCM控制實驗 228

6.6控制模擬 230

6.6.1關節速度控制模擬 231

6.6.2關節空間軌跡控制模擬 232

6.6.3任務空間軌跡控制模擬 234

6.6.4手術器械RCM約束解耦控制模擬 237

6.6.5基於旋量的RCM約束軌跡生成模擬 239

6.7基於EtherCAT的手術機械臂多軸控制 239

6.7.1EtherCAT通信協議 240

6.7.2IgH主站介紹 242

6.7.3CANopen協議 244

6.7.4手術機械臂控制系統 246

本章小結 249

參考文獻 249

第7章 手術機械臂的非線性控制

7.1系統模型 252

7.1.1機器人參數 252

7.1.2從URDF文件提取動力學參數 252

7.1.3機械臂動力學的旋量表達 253

7.1.4動力學方程 254

7.1.5動力學方程的性質 257

7.2計算力矩控制 258

7.2.1關節空間控制 258

7.2.2任務空間控制 259

7.3魯棒控制 264

7.4自適應控制 266

7.5無源控制 266

7.5.1無源魯棒控制 267

7.5.2無源自適應控制 269

7.5.3回歸矩陣計算 269

7.6乾擾觀測器 270

7.6.1基本觀測器 271

7.6.2改進觀測器 271

7.6.3設計 272

7.6.4設計 273

7.6.5零空間柔順 274

7.7模擬實驗 274

7.7.1無源魯棒控制 275

7.7.2無源自適應控制 276

7.7.3外部力乾擾 277

7.7.4基於乾擾觀測器的任務空間控制與零空間柔順 278

本章小結 281

參考文獻 281

第8章 手術機械臂的力控制

8.1機械臂的運動約束 284

8.1.1關節空間運動約束 284

8.1.2任務空間運動約束 285

8.2力-位混合控制 285

8.2.1力-位混合控制器 285

8.2.2力-位混合控制模擬 287

8.3阻抗控制 289

8.3.1任務空間控制力矩 290

8.3.2基於投影的零空間控制力矩 291

8.3.3基於零空間速度的控制力矩 292

8.3.4阻抗控制模擬 293

8.4導納控制 295

8.4.1導納控制原理 295

8.4.2狀態開環導納控制器 299

8.4.3狀態閉環導納控制器 301

8.4.4混合導納控制器 303

8.4.5零重力拖動與力調控 303

8.5六維力傳感器標定及重力和慣性力補償 305

8.5.1六維力傳感器的標定 306

8.5.2重力和慣性力補償 307

8.5.3六維力傳感器標定實驗 308

8.5.4重力和慣性力補償實驗 308

8.6虛擬夾具約束 309

8.6.1虛擬夾具約束實現 310

8.6.2虛擬夾具約束模型 310

8.6.3實驗驗證 311

8.7力控制在醫療機器人中的應用 313

8.7.1自動超聲掃描機器人 313

8.7.2主從柔順RCM控制 319

本章小結 323

參考文獻 323

第9章 手術機器人系統開發與實驗

9.1經肛門內鏡微創手術柔性機器人 326

9.1.1柔性機器人設計 326

9.1.2運動學分析 327

9.1.3系統設計與實驗 332

9.2經尿道前列腺切除手術機器人 335

9.2.1經尿道手術機器人系統設計要求 336

9.2.2經尿道手術機器人系統總體方案 338

9.2.3經尿道手術機器人系統結構設計 339

9.2.4經尿道手術機器人控制系統設計 341

9.2.5經尿道手術機器人系統集成與測試 343

9.2.6動物器官體外實驗 348

9.3圖像引導下的腦室穿刺手術機器人 350

9.3.1總體方案設計 350

9.3.2穿刺執行器系統設計 351

9.3.3控制系統架構 352

9.3.4機械臂運動控制 352

9.3.5術前規劃系統 353

9.3.6視覺導航系統 353

9.3.7實驗方法 354

9.3.8實驗結果 357

本章小結 357

參考文獻 357