包邮手术机器人导航与控制

第1章 手术机器人概述1.1手术机器人的概念 0021.1.1外科手术的发展趋势与挑战 0021.1.2手术机器人的定义 0021.1.3手术机器人系统的组成 0031.1.4手术机器人的控制方式 0041.2手术机器人的发展简史 0051.2.1国外手术机器人的发展简史 0051.2.2国内手术机器人的发展简史 0081.3刚性手术机器人 0111.3.1软组织主从操作手术机器人 0121.3.2硬组织导航定位手术机器人 0131.3.3穿刺手术机器人 0141.4连续体手术机器人 015第1章 手术机器人概述1.1手术机器人的概念 0021.1.1外科手术的发展趋势与挑战 0021.1.2手术机器人的定义 0021.1.3手术机器人系统的组成 0031.1.4手术机器人的控制方式 0041.2手术机器人的发展简史 0051.2.1国外手术机器人的发展简史 0051.2.2国内手术机器人的发展简史 0081.3刚性手术机器人 0111.3.1软组织主从操作手术机器人 0121.3.2硬组织导航定位手术机器人 0131.3.3穿刺手术机器人 0141.4连续体手术机器人 0151.4.1结构形式 0161.4.2驱动方式 0161.4.3运动学模型 0181.4.4动力学模型 0191.4.5应用场景 019本章小结 023参考文献 023第2章 医学影像智能分析2.1常用医学影像模态及其特点 0292.1.1X射线成像 0292.1.2X射线计算机断层成像 0292.1.3磁共振成像 0302.1.4超声成像 0302.2深度学习 0312.2.1张量 0312.2.2自动求导 0322.2.3计算图与反向传播算法 0332.2.4多层感知机 0342.2.5卷积神经网络 0362.2.6循环神经网络 0382.2.7编码器-解码器架构 0392.2.8Transformer 0402.2.9强化学习 0432.2.10生成对抗网络 0472.2.11深度学习的学习方式 0472.2.12趋势和挑战 0502.3智能诊断 0502.3.1分类诊断 0502.3.2目标检测 0522.4医学影像智能分割 0542.4.1分割网络基本结构 0552.4.2典型语义分割网络 0552.4.3实例分割网络 0562.4.4Transformer分割网络 0572.5图像配准 0572.5.1有监督图像配准 0582.5.2无监督图像配准 0582.6标志点检测 0592.6.1坐标回归 0592.6.2热图预测 0592.7应用举例 0612.7.1耳蜗结构自动分割 0612.7.2腹部多器官自动分割 0642.7.3颅颌面多组织结构自动分割 0672.7.4颅颌面标志点自动精确定位 071本章小结 075参考文献 075第3章 术中定位与多源感知3.1相机标定 0813.1.1针孔成像模型 0813.1.2相机内参数推定 0823.1.3相机外参数推定 0843.1.4镜头畸变建模与校正 0853.1.5立体视觉标定 0863.1.6立体视觉校正 0873.2基于双目视觉的目标跟踪 0883.2.1X角点与视觉标志物 0893.2.2SVM分类 0903.2.3X角点亚像素定位 0903.2.4三维坐标计算 0913.2.5姿态信息计算 0923.2.6跟踪稳定器 0943.2.7工具末端标定 0953.3体内术野三维重建 0963.3.1像素匹配代价计算 0973.3.2代价聚合与视差图计算 0993.3.3三维腹腔镜三维重建 1013.3.4高光与器械遮挡的重绘补偿 1023.4基于超声信号的浅表器官三维重建 1043.4.1超声探头标定 1063.4.2超声图像分割 1073.4.3超声体数据三维重建 1093.4.4基于贝塞尔曲线的实时三维重建 1113.4.5实验验证 113本章小结 115参考文献 115第4章 空间配准与手术导航4.1手术导航系统的组成 1194.1.1跟踪定位仪 1194.1.2空间配准系统 1194.1.3可视化显示系统 1214.2基于点的配准算法 1234.2.1问题描述 1234.2.2AOP问题的封闭解 1244.2.3考虑噪声模型的点对配准算法 1244.2.4误差传递与目标配准误差预测 1264.2.5数值仿真 1284.3加权尺度点对配准 1304.4*近点迭代算法 1314.4.1刚性ICP算法 1314.4.2非刚性ICP算法 1324.4.3ICP算法的变种 1344.4.4配准应用举例 1354.5一致点漂移算法 1384.5.1CPD算法框架 1384.5.2刚性CPD算法 1394.5.3仿射CPD算法 1404.5.4非刚性CPD算法 1414.5.5CPD算法加速 1424.5.6配准应用举例 1434.6数据归一化 1444.7三维-二维配准 1454.7.1形状表征和相似性定义 1454.7.2视图生成 1464.7.3形状特征提取 1474.7.4视图聚类 1484.7.5在线匹配 1494.7.6位姿恢复 1504.7.7配准应用举例 1514.8虚拟现实导航 1544.8.1虚拟相机 1544.8.2虚拟图像生成 1554.8.3应用举例 1574.9增强现实导航 1614.9.1HoloLens显示装置 1614.9.2HoloLens离线标定 1624.9.3原位融合显示方法 1644.9.4HoloLens在线校正 1654.9.5应用举例 166本章小结 166参考文献 167第5章 手术机械臂运动学与标定5.1相关符号与基础 1715.1.1反对称矩阵 1715.1.2矩阵指数 1715.1.3李群与李代数 1725.1.4速度旋量 1745.1.5力旋量 1755.1.6螺旋轴 1765.2基于旋量的运动学建模 1775.2.1运动学参数 1775.2.2从URDF文件提取运动学参数 1785.2.3从M-DH参数表提取运动学参数 1795.2.4基于指数积的运动学正解 1805.3雅可比矩阵 1815.3.1广义雅可比矩阵 1815.3.2速度旋量雅可比矩阵 1815.3.3其他形式的雅可比矩阵 1825.3.4力雅可比矩阵 1845.3.5奇异性 1845.4速度逆解 1855.4.1广义逆法 1865.4.2梯度投影法 1865.5运动学位置逆解 1875.5.1通用位置逆解算法 1875.5.2算法实验与结果 1885.6相邻三轴平行的六自由度机械臂位置解析逆解 1885.6.1求解1、5、6关节角度 1895.6.2求解2、3、4关节角度 1905.6.3分析与讨论 1925.6.4解析逆解举例 1925.7S-R-S构型的七自由度机械臂位置解析逆解 1935.7.1M-DH建模 1945.7.2参考平面与臂角 1955.7.3位置逆解 1975.7.4臂角求解 1985.7.5臂角深入讨论 1985.8手术机器人手眼标定 2035.8.1手眼标定的数学模型 2035.8.2手眼变换矩阵的线性解耦估计 2045.8.3手眼变换矩阵的非线性同步估计 2045.9基于MLE的手眼标定算法 2055.9.1符号与表示 2065.9.2测度函数 2075.9.3测度函数的雅可比矩阵 2085.9.4数值模拟实验 209本章小结 210参考文献 211第6章 手术机械臂的线性控制6.1系统稳定性 2136.1.1线性系统稳定性 2136.1.2李雅普诺夫间接方法 2146.1.3不变集 2166.1.4LaSalle定理 2166.1.5一致*终有界 2166.2关节电机速度控制 2176.2.1系统模型 2176.2.2速度开环控制 2186.2.3速度闭环控制 2196.3关节空间轨迹控制 2206.4任务空间轨迹控制 2216.5手术机械臂RCM约束 2236.5.1RCM实现方式 2246.5.2RCM约束解耦控制 2256.5.3基于旋量的RCM约束轨迹生成 2266.5.4RCM控制实验 2286.6控制仿真 2306.6.1关节速度控制仿真 2316.6.2关节空间轨迹控制仿真 2326.6.3任务空间轨迹控制仿真 2346.6.4手术器械RCM约束解耦控制仿真 2376.6.5基于旋量的RCM约束轨迹生成仿真 2396.7基于EtherCAT的手术机械臂多轴控制 2396.7.1EtherCAT通信协议 2406.7.2IgH主站介绍 2426.7.3CANopen协议 2446.7.4手术机械臂控制系统 246本章小结 249参考文献 249第7章 手术机械臂的非线性控制7.1系统模型 2527.1.1机器人参数 2527.1.2从URDF文件提取动力学参数 2527.1.3机械臂动力学的旋量表达 2537.1.4动力学方程 2547.1.5动力学方程的性质 2577.2计算力矩控制 2587.2.1关节空间控制 2587.2.2任务空间控制 2597.3鲁棒控制 2647.4自适应控制 2667.5无源控制 2667.5.1无源鲁棒控制 2677.5.2无源自适应控制 2697.5.3回归矩阵计算 2697.6干扰观测器 2707.6.1基本观测器 2717.6.2改进观测器 2717.6.3设计 2727.6.4设计 2737.6.5零空间柔顺 2747.7仿真实验 2747.7.1无源鲁棒控制 2757.7.2无源自适应控制 2767.7.3外部力干扰 2777.7.4基于干扰观测器的任务空间控制与零空间柔顺 278本章小结 281参考文献 281第8章 手术机械臂的力控制8.1机械臂的运动约束 2848.1.1关节空间运动约束 2848.1.2任务空间运动约束 2858.2力-位混合控制 2858.2.1力-位混合控制器 2858.2.2力-位混合控制仿真 2878.3阻抗控制 2898.3.1任务空间控制力矩 2908.3.2基于投影的零空间控制力矩 2918.3.3基于零空间速度的控制力矩 2928.3.4阻抗控制仿真 2938.4导纳控制 2958.4.1导纳控制原理 2958.4.2状态开环导纳控制器 2998.4.3状态闭环导纳控制器 3018.4.4混合导纳控制器 3038.4.5零重力拖动与力调控 3038.5六维力传感器标定及重力和惯性力补偿 3058.5.1六维力传感器的标定 3068.5.2重力和惯性力补偿 3078.5.3六维力传感器标定实验 3088.5.4重力和惯性力补偿实验 3088.6虚拟夹具约束 3098.6.1虚拟夹具约束实现 3108.6.2虚拟夹具约束模型 3108.6.3实验验证 3118.7力控制在医疗机器人中的应用 3138.7.1自动超声扫描机器人 3138.7.2主从柔顺RCM控制 319本章小结 323参考文献 323第9章 手术机器人系统开发与实验9.1经肛门内镜微创手术柔性机器人 3269.1.1柔性机器人设计 3269.1.2运动学分析 3279.1.3系统设计与实验 3329.2经尿道前列腺切除手术机器人 3359.2.1经尿道手术机器人系统设计要求 3369.2.2经尿道手术机器人系统总体方案 3389.2.3经尿道手术机器人系统结构设计 3399.2.4经尿道手术机器人控制系统设计 3419.2.5经尿道手术机器人系统集成与测试 3439.2.6动物器官体外实验 3489.3图像引导下的脑室穿刺手术机器人 3509.3.1总体方案设计 3509.3.2穿刺执行器系统设计 3519.3.3控制系统架构 3529.3.4机械臂运动控制 3529.3.5术前规划系统 3539.3.6视觉导航系统 3539.3.7实验方法 3549.3.8实验结果 357本章小结 357参考文献 357