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手術機器人導航與控制 版權信息
- ISBN：9787115645272
- 條形碼：9787115645272 ; 978-7-115-64527-2
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
手術機器人導航與控制 本書特色
1.理論前沿，反映作者多年深耕成果
本書是一本手術機器人學科方向的學術專著，對于手術機器人學科的知識積累和學科發展具有重要作用。本書提出的核心技術具有重要的科研價值，其中大部分相關內容發表于國際學術期刊，有的獲得了發明專利授權和成果轉化應用，并取得了良好的經濟和社會效益。
2.立意新穎，市場尚無類似圖書
目前有一些醫療機器人方面的圖書，但是這些書籍絕大多數是以介紹性和綜述性為主，沒有對手術機器人的“技術全棧”進行系統性和深入性的介紹。本書嘗試從工科技術角度對手術機器人涉及的理論和技術體系進行一次較為系統的梳理和深入的介紹，給出了技術實現的細節和嚴謹的理論證明。既有算法仿真也有實物介紹，幫助希望進入手術機器人研究或者該行業的讀者快速進步。
3.內容充實，多學科交叉
本書對手術機器人涉及的醫學影像建模、人工智能、機器人感知與控制進行了系統的內容梳理和技術提煉，內容充實，可讀性強。尤其涉及了圖像處理、計算機視覺、機械工程、控制理論、醫學臨床等多學科交叉的內容，反映了手術機器人多學科交叉的本質和優勢。
手術機器人導航與控制 內容簡介
*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，并提供仿真結果或應用實例。
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。
手術機器人導航與控制 目錄
第1章 手術機器人概述1.1手術機器人的概念 0021.1.1外科手術的發展趨勢與挑戰 0021.1.2手術機器人的定義 0021.1.3手術機器人系統的組成 0031.1.4手術機器人的控制方式 0041.2手術機器人的發展簡史 0051.2.1國外手術機器人的發展簡史 0051.2.2國內手術機器人的發展簡史 0081.3剛性手術機器人 0111.3.1軟組織主從操作手術機器人 0121.3.2硬組織導航定位手術機器人 0131.3.3穿刺手術機器人 0141.4連續體手術機器人 015第1章 手術機器人概述1.1手術機器人的概念 0021.1.1外科手術的發展趨勢與挑戰 0021.1.2手術機器人的定義 0021.1.3手術機器人系統的組成 0031.1.4手術機器人的控制方式 0041.2手術機器人的發展簡史 0051.2.1國外手術機器人的發展簡史 0051.2.2國內手術機器人的發展簡史 0081.3剛性手術機器人 0111.3.1軟組織主從操作手術機器人 0121.3.2硬組織導航定位手術機器人 0131.3.3穿刺手術機器人 0141.4連續體手術機器人 0151.4.1結構形式 0161.4.2驅動方式 0161.4.3運動學模型 0181.4.4動力學模型 0191.4.5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 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深度學習 0312.2.1張量 0312.2.2自動求導 0322.2.3計算圖與反向傳播算法 0332.2.4多層感知機 0342.2.5卷積神經網絡 0362.2.6循環神經網絡 0382.2.7編碼器-解碼器架構 0392.2.8Transformer 0402.2.9強化學習 0432.2.10生成對抗網絡 0472.2.11深度學習的學習方式 0472.2.12趨勢和挑戰 0502.3智能診斷 0502.3.1分類診斷 0502.3.2目標檢測 0522.4醫學影像智能分割 0542.4.1分割網絡基本結構 0552.4.2典型語義分割網絡 0552.4.3實例分割網絡 0562.4.4Transformer分割網絡 0572.5圖像配準 0572.5.1有監督圖像配準 0582.5.2無監督圖像配準 0582.6標志點檢測 0592.6.1坐標回歸 0592.6.2熱圖預測 0592.7應用舉例 0612.7.1耳蝸結構自動分割 0612.7.2腹部多器官自動分割 0642.7.3顱頜面多組織結構自動分割 0672.7.4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 0813.1.1針孔成像模型 0813.1.2相機內參數推定 0823.1.3相機外參數推定 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姿態信息計算 0923.2.6跟蹤穩定器 0943.2.7工具末端標定 0953.3體內術野三維重建 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超聲體數據三維重建 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 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 1194.1.1跟蹤定位儀 1194.1.2空間配準系統 1194.1.3可視化顯示系統 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測 1264.2.5數值仿真 1284.3加權尺度點對配準 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配準應用舉例 1434.6數據歸一化 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 1504.7.7配準應用舉例 1514.8虛擬現實導航 1544.8.1虛擬相機 1544.8.2虛擬圖像生成 1554.8.3應用舉例 1574.9增強現實導航 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 1715.1.1反對稱矩陣 1715.1.2矩陣指數 1715.1.3李群與李代數 1725.1.4速度旋量 1745.1.5力旋量 1755.1.6螺旋軸 1765.2基于旋量的運動學建模 1775.2.1運動學參數 1775.2.2從URDF文件提取運動學參數 1785.2.3從M-DH參數表提取運動學參數 1795.2.4基于指數積的運動學正解 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運動學位置逆解 1875.5.1通用位置逆解算法 1875.5.2算法實驗與結果 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關節角度 1895.6.2求解2、3、4關節角度 1905.6.3分析與討論 1925.6.4解析逆解舉例 1925.7S-R-S構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手術機器人手眼標定 2035.8.1手眼標定的數學模型 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 2075.9.3測度函數的雅可比矩陣 2085.9.4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 2136.1.1線性系統穩定性 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關節電機速度控制 2176.2.1系統模型 2176.2.2速度開環控制 2186.2.3速度閉環控制 2196.3關節空間軌跡控制 2206.4任務空間軌跡控制 2216.5手術機械臂RCM約束 2236.5.1RCM實現方式 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關節速度控制仿真 2316.6.2關節空間軌跡控制仿真 2326.6.3任務空間軌跡控制仿真 2346.6.4手術器械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的手術機械臂多軸控制 2396.7.1EtherCAT通信協議 2406.7.2IgH主站介紹 2426.7.3CANopen協議 2446.7.4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 2527.1.1機器人參數 2527.1.2從URDF文件提取動力學參數 2527.1.3機械臂動力學的旋量表達 2537.1.4動力學方程 2547.1.5動力學方程的性質 2577.2計算力矩控制 2587.2.1關節空間控制 2587.2.2任務空間控制 2597.3魯棒控制 2647.4自適應控制 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設計 2727.6.4設計 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無源自適應控制 2767.7.3外部力干擾 2777.7.4基于干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 2848.1.1關節空間運動約束 2848.1.2任務空間運動約束 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導納控制 2958.4.1導納控制原理 2958.4.2狀態開環導納控制器 2998.4.3狀態閉環導納控制器 3018.4.4混合導納控制器 3038.4.5零重力拖動與力調控 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 3108.6.2虛擬夾具約束模型 3108.6.3實驗驗證 3118.7力控制在醫療機器人中的應用 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 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 3269.1.1柔性機器人設計 3269.1.2運動學分析 3279.1.3系統設計與實驗 3329.2經尿道前列腺切除手術機器人 3359.2.1經尿道手術機器人系統設計要求 3369.2.2經尿道手術機器人系統總體方案 3389.2.3經尿道手術機器人系統結構設計 3399.2.4經尿道手術機器人控制系統設計 3419.2.5經尿道手術機器人系統集成與測試 3439.2.6動物器官體外實驗 3489.3圖像引導下的腦室穿刺手術機器人 3509.3.1總體方案設計 3509.3.2穿刺執行器系統設計 3519.3.3控制系統架構 3529.3.4機械臂運動控制 3529.3.5術前規劃系統 3539.3.6視覺導航系統 3539.3.7實驗方法 3549.3.8實驗結果 357本章小結 357參考文獻 357
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手術機器人導航與控制 作者簡介
作者簡介（主要教學科研經歷、曾獲得主要教學科研獎勵情況）王君臣北京航空航天大學機械工程及自動化學院副教授、博士生導師，國家一 流本科生課程主講教師，《機械工程學報》和《機器人》期刊青年編委。長期從事手術機器人導航與控制相關的科學研究工作，主要研究方向為機器人控制、外科手術視覺、醫學圖像計算與微創手術導航。主持國家自然科學基金青年項目、面上項目、國際交流合作項目、重點項目課題，國家重點研發計劃“智能機器人”與“數字診療”專項等國 家級項目、課題十項，省部級項目五項。近年共發表論文一百余篇，以一作或通信作者發表SCI論文三十三篇，主編本科生教材一部。以第 一發明人獲中國、美國、日本授權發明專利共十七項、專利成果轉化七項。作者簡介（主要教學科研經歷、曾獲得主要教學科研獎勵情況）王君臣北京航空航天大學機械工程及自動化學院副教授、博士生導師，國家一 流本科生課程主講教師，《機械工程學報》和《機器人》期刊青年編委。長期從事手術機器人導航與控制相關的科學研究工作，主要研究方向為機器人控制、外科手術視覺、醫學圖像計算與微創手術導航。主持國家自然科學基金青年項目、面上項目、國際交流合作項目、重點項目課題，國家重點研發計劃“智能機器人”與“數字診療”專項等國 家級項目、課題十項，省部級項目五項。近年共發表論文一百余篇，以一作或通信作者發表SCI論文三十三篇，主編本科生教材一部。以第 一發明人獲中國、美國、日本授權發明專利共十七項、專利成果轉化七項。
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