基于视觉伺服的柔性组织操控技术研究

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1、硕士学位论文基于视觉伺服的柔性组织操控技术研究RESEARCHONTHEMANIPULATIONOFSOFTTISSUESBASEDONVISUALSERVO衣振洲哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP273.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文基于视觉伺服的柔性组织操控技术研究硕士研究生：衣振洲导师：董为副教授申请学位：工学硕士学科、专业：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273.2U.D.C.:621.865.8Dis

2、sertationfortheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHONTHEMANIPULATIONOFSOFTTISSUESBASEDONVISUALSERVOCandidate:YiZhenzhouSupervisor:AssociateProf.DongWeiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechatronicsEngineeringAffiliation:SchoolofMechatronicsEngineeringDateofOralExamina

3、tion:July,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要经皮穿刺术是微创介入手术中一种重要的方法。传统的经皮穿刺术使用刚性针作为穿刺工具，但刚性针通常难以满足穿刺过程中的避障要求，由此产生斜角柔性针。尽管柔性针轨迹十分灵活，但大曲率圆弧轨迹易造成人体组织撕裂，且针尖反复转向产生的直线轨迹会造成组织挫伤。本文针对此问题，对柔性组织操控技术进行研究，通过控制柔性组织变形使穿刺目标靶点发生偏移，从而简化穿刺轨迹并降低伤害。通常的柔性体变形控制方法要先

4、对柔性体建模，这需要大量变形参数，而人体组织通常是无先验知识目标。对此，本文使用基于无标定视觉伺服的柔性组织控制理论估计变形模型并进行变形控制：通过对包含未知的柔性组织变形特征及摄像机投影模型的变形雅克比矩阵进行估计，得到系统的预估雅克比矩阵，并由预估矩阵通过速度控制器生成系统的变形控制速度使柔性组织变形，通过视觉检测出实际变形特征与理论变形特征的误差，反馈给估计器来修正预估雅克比矩阵。本文由李雅普诺夫第二法验证算法的稳定性，并通过仿真实验分析算法各项指标。本课题提出了针对柔性针穿刺的柔性组织变形控制方案。本文通过对柔性针进行轨迹规划，逆向推导出柔性组织靶点位移从

5、而变形控制方案。柔性针穿刺轨迹种类较多，为解决平面的变形控制问题，本文对均匀组织中的平面圆弧穿刺轨迹进行分析，提出复数障碍物约束条件下的轨迹求解方案，并建立评价函数来对穿刺轨迹进行分级。考虑到这是一个多目标优化问题，本文使用改进的NSGA2遗传算法求解，通过种群最优面对于评价函数进行修正，并最终通过权重系数将多目标合成为单一评价函数并得到最优穿刺轨迹，从而确立柔性组织变形控制方案。最后，本文对现有的图像处理方法进行分析比较，使用OpenCV实现目标检测与跟踪，并编写了变形控制的软件平台，包括视觉系统、机器人系统、控制系统等。本文提出的变形控制分为两部分：一是根据具

6、体环境，通过轨迹优化求得目标靶点位移方案，二是通过变形控制系统控制柔性材料达到预定变形目标。通过对实验数据进行分析，进一步检验控制理论，并验证变形控制系统的可行性。关键词：柔性组织变形；柔性针穿刺；无标定视觉伺服；轨迹优化--I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThepercutaneouspunctureisanimportantmethodoftheminimallyinvasivesurgical.Insteadofthetraditionalstiffshortneedlewhichishardtomeettheneedsfortheobst

7、acleavoidanceinthepunctureprocess,alongandflexibleneedlewithabeveltiphascomeoutandbecomesaresearchtopic,ofwhichtheshapeofneedletrajectorycouldbeacurve.Thetrajectoryoftheflexibleneedleisveryflexibleandmultiple.However,aflexibleneedleinsertionwithabigcurvetrajectorywouldprobablytearthet

8、issue