并联超声机器人的设计与控制方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 邓兆锟
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| 答辩日期 | 2024-05 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 关键词 | 并联超声机器人，构型参数优化，六自由度位姿感知，强化学习，超声 切面自动获取 |
| 英文摘要 | 超声显像技术作为一种无辐射、低成本、高便携性的医学影像技术，被广泛的应用在心脏病学、神经病学、肝病学与肾病学等的临床诊断中。传统超声显像的成像质量与超声医生的手法与经验息息相关，这使得超声显像的一致性与标准化难以保障。长时间的超声扫查会导致超声医生手部肌肉变形，影响超声医生的健康。同时由于超声医生的培训周期较长，在我国超声医生数量有限，这使得传统超声显像难以普及。超声机器人具有精度高、重复性好、可操控性强的特点，可辅助超声医生进行超声扫查，完成超声诊断。然而，现有的超声机器人存在体积大、结构复杂、便携性低、智能性有限的问题，这限制了超声机器人在临床中的应用。聚焦在推动超声机器人临床应用的可能性，本文针对并联超声机器人的设计与控制，围绕并联超声机器人系统设计、力位感知与自动采集超声图像等问题开展研究，主要研究内容与创新点包括：
(1) 针对现有超声机器人体积大、便携性低的问题，设计了一种便携式六自由度并联超声机器人系统，并提出临床工作空间约束的并联超声机器人构型参数优化方法，以满足临床超声采集需求。以 6-RSU 并联结构为基础，设计了并联超声机器人系统。机器人可通过手持或搭载在被动臂上以人机共融的方式进行工作。考虑到超声扫查的临床工作空间需求，提出了两阶段并联超声机器人构型参数优化模型。该模型以工作空间满足临床需要为约束，通过优化构型参数，在两阶段分别最大化工作空间与工作空间条件数。通过遗传算法求解优化模型，结合机器人机械与电控系统模块化、便携化的设计，使得机器人体积小、重量轻。通过实验验证机器人移动误差在 2mm 以内，转动误差在 0.3 度以内，工作空间满足临床体外超声采集的需求。
(2) 针对现有力位感知方法成本高、便携性低，难以与并联超声机器人系统集成的问题，设计了一种符合并联超声机器人应用的单轴力传感器，同时，提出了基于惯性传感器与机器人结构特性的六自由度机器人位姿感知方法。所设计的力传感器通过对称分布的四个 L 型横梁结构与光电传感器将力信号转变为电信号，使用人工神经网络对力传感器模型进行拟合。所提出的六自由度位姿感知算法，将惯性传感器的位姿信息融合到并联超声机器人的正运动学解算中，获得位姿感知算法的解析方法与迭代优化，以提高解算的鲁棒性。实验结果表明所提出的力感知平均绝对误差为 0.6757N 位位置与姿态感知误差分别在1mm 与0.5 度以内，满足临床需要。进一步通过实验表明在力位感知方法辅助的并联超声机器人可以获取到不亚于超声医生裸手获取的超声图像。
(3) 针对现有机器人自主获取超声切面方法智能性低，难以满足临床应用需求的问题，聚焦在随访诊断应用，设计了两阶段并联超声机器人超声切面智能获取流程，并提出了基于强化学习的多目标超声切面自主获取方法。结合随访诊断应用的特点，两阶段并联超声机器人超声切面智能获取流程具体包括：在患者第一次进行超声诊断时，由超声医生遥操作并联超声机器人获取目标超声图像与基于患者的仿真环境。在随后的随访诊断中，机器人完成在仿真环境中的训练后进行目标超声切面的智能获取。所提出的强化学习方法以基于深度学习构建的超声图像相似度奖励函数为基础，融合超声图像与机器人位姿感知等多模态信 息融合方法，可实现多目标超声图像的采集。通过仿真实验与腹部体膜实验验证 所提出的方法的有效性。
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| 语种 | 中文 |
| 页码 | 88 |
| 源URL | [http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/57551]  |
| 专题 | 毕业生_硕士学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邓兆锟. 并联超声机器人的设计与控制方法研究[D]. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：自动化研究所
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