第1章 手術(shù)機器人概述1.1手術(shù)機器人的概念 0021.1.1外科手術(shù)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn) 0021.1.2手術(shù)機器人的定義 0021.1.3手術(shù)機器人系統(tǒng)的組成 0031.1.4手術(shù)機器人的控制方式 0041.2手術(shù)機器人的發(fā)展簡史 0051.2.1國外手術(shù)機器人的發(fā)展簡史 0051.2.2國內(nèi)手術(shù)機器人的發(fā)展簡史 0081.3剛性手術(shù)機器人 0111.3.1軟組織主從操作手術(shù)機器人 0121.3.2硬組織導(dǎo)航定位手術(shù)機器人 0131.3.3穿刺手術(shù)機器人 0141.4連續(xù)體手術(shù)機器人 015第1章 手術(shù)機器人概述1.1手術(shù)機器人的概念 0021.1.1外科手術(shù)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn) 0021.1.2手術(shù)機器人的定義 0021.1.3手術(shù)機器人系統(tǒng)的組成 0031.1.4手術(shù)機器人的控制方式 0041.2手術(shù)機器人的發(fā)展簡史 0051.2.1國外手術(shù)機器人的發(fā)展簡史 0051.2.2國內(nèi)手術(shù)機器人的發(fā)展簡史 0081.3剛性手術(shù)機器人 0111.3.1軟組織主從操作手術(shù)機器人 0121.3.2硬組織導(dǎo)航定位手術(shù)機器人 0131.3.3穿刺手術(shù)機器人 0141.4連續(xù)體手術(shù)機器人 0151.4.1結(jié)構(gòu)形式 0161.4.2驅(qū)動方式 0161.4.3運動學(xué)模型 0181.4.4動力學(xué)模型 0191.4.5應(yīng)用場景 019本章小結(jié) 023參考文獻 023第2章 醫(yī)學(xué)影像智能分析2.1常用醫(yī)學(xué)影像模態(tài)及其特點 0292.1.1X射線成像 0292.1.2X射線計算機斷層成像 0292.1.3磁共振成像 0302.1.4超聲成像 0302.2深度學(xué)習(xí) 0312.2.1張量 0312.2.2自動求導(dǎo) 0322.2.3計算圖與反向傳播算法 0332.2.4多層感知機 0342.2.5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 0362.2.6循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 0382.2.7編碼器-解碼器架構(gòu) 0392.2.8Transformer 0402.2.9強化學(xué)習(xí) 0432.2.10生成對抗網(wǎng)絡(luò) 0472.2.11深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式 0472.2.12趨勢和挑戰(zhàn) 0502.3智能診斷 0502.3.1分類診斷 0502.3.2目標檢測 0522.4醫(yī)學(xué)影像智能分割 0542.4.1分割網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu) 0552.4.2典型語義分割網(wǎng)絡(luò) 0552.4.3實例分割網(wǎng)絡(luò) 0562.4.4Transformer分割網(wǎng)絡(luò) 0572.5圖像配準 0572.5.1有監(jiān)督圖像配準 0582.5.2無監(jiān)督圖像配準 0582.6標志點檢測 0592.6.1坐標回歸 0592.6.2熱圖預(yù)測 0592.7應(yīng)用舉例 0612.7.1耳蝸結(jié)構(gòu)自動分割 0612.7.2腹部多器官自動分割 0642.7.3顱頜面多組織結(jié)構(gòu)自動分割 0672.7.4顱頜面標志點自動精確定位 071本章小結(jié) 075參考文獻 075第3章 術(shù)中定位與多源感知3.1相機標定 0813.1.1針孔成像模型 0813.1.2相機內(nèi)參數(shù)推定 0823.1.3相機外參數(shù)推定 0843.1.4鏡頭畸變建模與校正 0853.1.5立體視覺標定 0863.1.6立體視覺校正 0873.2基于雙目視覺的目標跟蹤 0883.2.1X角點與視覺標志物 0893.2.2SVM分類 0903.2.3X角點亞像素定位 0903.2.4三維坐標計算 0913.2.5姿態(tài)信息計算 0923.2.6跟蹤穩(wěn)定器 0943.2.7工具末端標定 0953.3體內(nèi)術(shù)野三維重建 0963.3.1像素匹配代價計算 0973.3.2代價聚合與視差圖計算 0993.3.3三維腹腔鏡三維重建 1013.3.4高光與器械遮擋的重繪補償 1023.4基于超聲信號的淺表器官三維重建 1043.4.1超聲探頭標定 1063.4.2超聲圖像分割 1073.4.3超聲體數(shù)據(jù)三維重建 1093.4.4基于貝塞爾曲線的實時三維重建 1113.4.5實驗驗證 113本章小結(jié) 115參考文獻 115第4章 空間配準與手術(shù)導(dǎo)航4.1手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的組成 1194.1.1跟蹤定位儀 1194.1.2空間配準系統(tǒng) 1194.1.3可視化顯示系統(tǒng) 1214.2基于點的配準算法 1234.2.1問題描述 1234.2.2AOP問題的封閉解 1244.2.3考慮噪聲模型的點對配準算法 1244.2.4誤差傳遞與目標配準誤差預(yù)測 1264.2.5數(shù)值仿真 1284.3加權(quán)尺度點對配準 1304.4*近點迭代算法 1314.4.1剛性ICP算法 1314.4.2非剛性ICP算法 1324.4.3ICP算法的變種 1344.4.4配準應(yīng)用舉例 1354.5一致點漂移算法 1384.5.1CPD算法框架 1384.5.2剛性CPD算法 1394.5.3仿射CPD算法 1404.5.4非剛性CPD算法 1414.5.5CPD算法加速 1424.5.6配準應(yīng)用舉例 1434.6數(shù)據(jù)歸一化 1444.7三維-二維配準 1454.7.1形狀表征和相似性定義 1454.7.2視圖生成 1464.7.3形狀特征提取 1474.7.4視圖聚類 1484.7.5在線匹配 1494.7.6位姿恢復(fù) 1504.7.7配準應(yīng)用舉例 1514.8虛擬現(xiàn)實導(dǎo)航 1544.8.1虛擬相機 1544.8.2虛擬圖像生成 1554.8.3應(yīng)用舉例 1574.9增強現(xiàn)實導(dǎo)航 1614.9.1HoloLens顯示裝置 1614.9.2HoloLens離線標定 1624.9.3原位融合顯示方法 1644.9.4HoloLens在線校正 1654.9.5應(yīng)用舉例 166本章小結(jié) 166參考文獻 167第5章 手術(shù)機械臂運動學(xué)與標定5.1相關(guān)符號與基礎(chǔ) 1715.1.1反對稱矩陣 1715.1.2矩陣指數(shù) 1715.1.3李群與李代數(shù) 1725.1.4速度旋量 1745.1.5力旋量 1755.1.6螺旋軸 1765.2基于旋量的運動學(xué)建模 1775.2.1運動學(xué)參數(shù) 1775.2.2從URDF文件提取運動學(xué)參數(shù) 1785.2.3從M-DH參數(shù)表提取運動學(xué)參數(shù) 1795.2.4基于指數(shù)積的運動學(xué)正解 1805.3雅可比矩陣 1815.3.1廣義雅可比矩陣 1815.3.2速度旋量雅可比矩陣 1815.3.3其他形式的雅可比矩陣 1825.3.4力雅可比矩陣 1845.3.5奇異性 1845.4速度逆解 1855.4.1廣義逆法 1865.4.2梯度投影法 1865.5運動學(xué)位置逆解 1875.5.1通用位置逆解算法 1875.5.2算法實驗與結(jié)果 1885.6相鄰三軸平行的六自由度機械臂位置解析逆解 1885.6.1求解1、5、6關(guān)節(jié)角度 1895.6.2求解2、3、4關(guān)節(jié)角度 1905.6.3分析與討論 1925.6.4解析逆解舉例 1925.7S-R-S構(gòu)型的七自由度機械臂位置解析逆解 1935.7.1M-DH建模 1945.7.2參考平面與臂角 1955.7.3位置逆解 1975.7.4臂角求解 1985.7.5臂角深入討論 1985.8手術(shù)機器人手眼標定 2035.8.1手眼標定的數(shù)學(xué)模型 2035.8.2手眼變換矩陣的線性解耦估計 2045.8.3手眼變換矩陣的非線性同步估計 2045.9基于MLE的手眼標定算法 2055.9.1符號與表示 2065.9.2測度函數(shù) 2075.9.3測度函數(shù)的雅可比矩陣 2085.9.4數(shù)值模擬實驗 209本章小結(jié) 210參考文獻 211第6章 手術(shù)機械臂的線性控制6.1系統(tǒng)穩(wěn)定性 2136.1.1線性系統(tǒng)穩(wěn)定性 2136.1.2李雅普諾夫間接方法 2146.1.3不變集 2166.1.4LaSalle定理 2166.1.5一致*終有界 2166.2關(guān)節(jié)電機速度控制 2176.2.1系統(tǒng)模型 2176.2.2速度開環(huán)控制 2186.2.3速度閉環(huán)控制 2196.3關(guān)節(jié)空間軌跡控制 2206.4任務(wù)空間軌跡控制 2216.5手術(shù)機械臂RCM約束 2236.5.1RCM實現(xiàn)方式 2246.5.2RCM約束解耦控制 2256.5.3基于旋量的RCM約束軌跡生成 2266.5.4RCM控制實驗 2286.6控制仿真 2306.6.1關(guān)節(jié)速度控制仿真 2316.6.2關(guān)節(jié)空間軌跡控制仿真 2326.6.3任務(wù)空間軌跡控制仿真 2346.6.4手術(shù)器械RCM約束解耦控制仿真 2376.6.5基于旋量的RCM約束軌跡生成仿真 2396.7基于EtherCAT的手術(shù)機械臂多軸控制 2396.7.1EtherCAT通信協(xié)議 2406.7.2IgH主站介紹 2426.7.3CANopen協(xié)議 2446.7.4手術(shù)機械臂控制系統(tǒng) 246本章小結(jié) 249參考文獻 249第7章 手術(shù)機械臂的非線性控制7.1系統(tǒng)模型 2527.1.1機器人參數(shù) 2527.1.2從URDF文件提取動力學(xué)參數(shù) 2527.1.3機械臂動力學(xué)的旋量表達 2537.1.4動力學(xué)方程 2547.1.5動力學(xué)方程的性質(zhì) 2577.2計算力矩控制 2587.2.1關(guān)節(jié)空間控制 2587.2.2任務(wù)空間控制 2597.3魯棒控制 2647.4自適應(yīng)控制 2667.5無源控制 2667.5.1無源魯棒控制 2677.5.2無源自適應(yīng)控制 2697.5.3回歸矩陣計算 2697.6干擾觀測器 2707.6.1基本觀測器 2717.6.2改進觀測器 2717.6.3設(shè)計 2727.6.4設(shè)計 2737.6.5零空間柔順 2747.7仿真實驗 2747.7.1無源魯棒控制 2757.7.2無源自適應(yīng)控制 2767.7.3外部力干擾 2777.7.4基于干擾觀測器的任務(wù)空間控制與零空間柔順 278本章小結(jié) 281參考文獻 281第8章 手術(shù)機械臂的力控制8.1機械臂的運動約束 2848.1.1關(guān)節(jié)空間運動約束 2848.1.2任務(wù)空間運動約束 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任務(wù)空間控制力矩 2908.3.2基于投影的零空間控制力矩 2918.3.3基于零空間速度的控制力矩 2928.3.4阻抗控制仿真 2938.4導(dǎo)納控制 2958.4.1導(dǎo)納控制原理 2958.4.2狀態(tài)開環(huán)導(dǎo)納控制器 2998.4.3狀態(tài)閉環(huán)導(dǎo)納控制器 3018.4.4混合導(dǎo)納控制器 3038.4.5零重力拖動與力調(diào)控 3038.5六維力傳感器標定及重力和慣性力補償 3058.5.1六維力傳感器的標定 3068.5.2重力和慣性力補償 3078.5.3六維力傳感器標定實驗 3088.5.4重力和慣性力補償實驗 3088.6虛擬夾具約束 3098.6.1虛擬夾具約束實現(xiàn) 3108.6.2虛擬夾具約束模型 3108.6.3實驗驗證 3118.7力控制在醫(yī)療機器人中的應(yīng)用 3138.7.1自動超聲掃描機器人 3138.7.2主從柔順RCM控制 319本章小結(jié) 323參考文獻 323第9章 手術(shù)機器人系統(tǒng)開發(fā)與實驗9.1經(jīng)肛門內(nèi)鏡微創(chuàng)手術(shù)柔性機器人 3269.1.1柔性機器人設(shè)計 3269.1.2運動學(xué)分析 3279.1.3系統(tǒng)設(shè)計與實驗 3329.2經(jīng)尿道前列腺切除手術(shù)機器人 3359.2.1經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)設(shè)計要求 3369.2.2經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)總體方案 3389.2.3經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3399.2.4經(jīng)尿道手術(shù)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 3419.2.5經(jīng)尿道手術(shù)機器人系統(tǒng)集成與測試 3439.2.6動物器官體外實驗 3489.3圖像引導(dǎo)下的腦室穿刺手術(shù)機器人 3509.3.1總體方案設(shè)計 3509.3.2穿刺執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計 3519.3.3控制系統(tǒng)架構(gòu) 3529.3.4機械臂運動控制 3529.3.5術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng) 3539.3.6視覺導(dǎo)航系統(tǒng) 3539.3.7實驗方法 3549.3.8實驗結(jié)果 357本章小結(jié) 357參考文獻 357