本书共9章，内容包含医学影像智能分析、术中定位与多源感知、空间配准与手术导航、手术机械臂运动学与标定、手术机械臂的线性控制、手术机械臂的非线性控制、手术机械臂的力控制以及手术机器人系统开发与实验等，阐述了相关的理论模型和技术细节，并提供仿真结果或应用实例。

王君臣

北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授、博士生导师，国家一 流本科生课程主讲教师，《机械工程学报》和《机器人》期刊青年编委。长期从事手术机器人导航与控制相关的科学研究工作，主要研究方向为机器人控制、外科手术视觉、医学图像计算与微创手术导航。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、国际交流合作项目、重点项目课题，国家重点研发计划“智能机器人”与“数字诊疗”专项等国 家级项目、课题十项，省部级项目五项。近年共发表论文一百余篇，以一作或通信作者发表SCI论文三十三篇，主编本科生教材一部。以第 一发明人获中国、美国、日本授权发明专利共十七项、专利成果转化七项。

第 1章 手术机器人概述

1.1手术机器人的概念　002

1.1.1外科手术的发展趋势与挑战　002

1.1.2手术机器人的定义　002

1.1.3手术机器人系统的组成　003

1.1.4手术机器人的控制方式　004

1.2手术机器人的发展简史　005

1.2.1国外手术机器人的发展简史　005

1.2.2国内手术机器人的发展简史　008

1.3刚性手术机器人　011

1.3.1软组织主从操作手术机器人　012

1.3.2硬组织导航定位手术机器人　013

1.3.3穿刺手术机器人　014

1.4连续体手术机器人　015

1.4.1结构形式　016

1.4.2驱动方式　016

1.4.3运动学模型　018

1.4.4动力学模型　019

1.4.5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　029

2.1.1X射线成像　029

2.1.2X射线计算机断层成像　029

2.1.3磁共振成像　030

2.1.4超声成像　030

2.2深度学习　031

2.2.1张量　031

2.2.2自动求导　032

2.2.3计算图与反向传播算法　033

2.2.4多层感知机　034

2.2.5卷积神经网络　036

2.2.6循环神经网络　038

2.2.7编码器-解码器架构　039

2.2.8Transformer　040

2.2.9强化学习　043

2.2.10生成对抗网络　047

2.2.11深度学习的学习方式　047

2.2.12趋势和挑战　050

2.3智能诊断　050

2.3.1分类诊断　050

2.3.2目标检测　052

2.4医学影像智能分割　054

2.4.1分割网络基本结构　055

2.4.2典型语义分割网络　055

2.4.3实例分割网络　056

2.4.4Transformer分割网络　057

2.5图像配准　057

2.5.1有监督图像配准　058

2.5.2无监督图像配准　058

2.6标志点检测　059

2.6.1坐标回归　059

2.6.2热图预测　059

2.7应用举例　061

2.7.1耳蜗结构自动分割　061

2.7.2腹部多器官自动分割　064

2.7.3颅颌面多组织结构自动分割　067

2.7.4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　081

3.1.1针孔成像模型　081

3.1.2相机内参数推定　082

3.1.3相机外参数推定　084

3.1.4镜头畸变建模与校正　085

3.1.5立体视觉标定　086

3.1.6立体视觉校正　087

3.2基于双目视觉的目标跟踪　088

3.2.1X角点与视觉标志物　089

3.2.2SVM分类　090

3.2.3X角点亚像素定位　090

3.2.4三维坐标计算　091

3.2.5姿态信息计算　092

3.2.6跟踪稳定器　094

3.2.7工具末端标定　095

3.3体内术野三维重建　096

3.3.1像素匹配代价计算　097

3.3.2代价聚合与视差图计算　099

3.3.3三维腹腔镜三维重建　101

3.3.4高光与器械遮挡的重绘补偿　102

3.4基于超声信号的浅表器官三维重建　104

3.4.1超声探头标定　106

3.4.2超声图像分割　107

3.4.3超声体数据三维重建　109

3.4.4基于贝塞尔曲线的实时三维重建　111

3.4.5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　119

4.1.1跟踪定位仪　119

4.1.2空间配准系统　119

4.1.3可视化显示系统　121

4.2基于点的配准算法　123

4.2.1问题描述　123

4.2.2AOP问题的封闭解　124

4.2.3考虑噪声模型的点对配准算法　124

4.2.4误差传递与目标配准误差预测　126

4.2.5数值仿真　128

4.3加权尺度点对配准　130

4.4最近点迭代算法　131

4.4.1刚性ICP算法　131

4.4.2非刚性ICP算法　132

4.4.3ICP算法的变种　134

4.4.4配准应用举例　135

4.5一致点漂移算法　138

4.5.1CPD算法框架　138

4.5.2刚性CPD算法　139

4.5.3仿射CPD算法　140

4.5.4非刚性CPD算法　141

4.5.5CPD算法加速　142

4.5.6配准应用举例　143

4.6数据归一化　144

4.7三维-二维配准　145

4.7.1形状表征和相似性定义　145

4.7.2视图生成　146

4.7.3形状特征提取　147

4.7.4视图聚类　148

4.7.5在线匹配　149

4.7.6位姿恢复　150

4.7.7配准应用举例　151

4.8虚拟现实导航　154

4.8.1虚拟相机　154

4.8.2虚拟图像生成　155

4.8.3应用举例　157

4.9增强现实导航　161

4.9.1HoloLens显示装置　161

4.9.2HoloLens离线标定　162

4.9.3原位融合显示方法　164

4.9.4HoloLens在线校正　165

4.9.5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　171

5.1.1反对称矩阵　171

5.1.2矩阵指数　171

5.1.3李群与李代数　172

5.1.4速度旋量　174

5.1.5力旋量　175

5.1.6螺旋轴　176

5.2基于旋量的运动学建模　177

5.2.1运动学参数　177

5.2.2从URDF文件提取运动学参数　178

5.2.3从M-DH参数表提取运动学参数　179

5.2.4基于指数积的运动学正解　180

5.3雅可比矩阵　181

5.3.1广义雅可比矩阵　181

5.3.2速度旋量雅可比矩阵　181

5.3.3其他形式的雅可比矩阵　182

5.3.4力雅可比矩阵　184

5.3.5奇异性　184

5.4速度逆解　185

5.4.1广义逆法　186

5.4.2梯度投影法　186

5.5运动学位置逆解　187

5.5.1通用位置逆解算法　187

5.5.2算法实验与结果　188

5.6相邻三轴平行的六自由度机械臂位置解析逆解　188

5.6.1求解1、5、6关节角度　189

5.6.2求解2、3、4关节角度　190

5.6.3分析与讨论　192

5.6.4解析逆解举例　192

5.7S-R-S构型的七自由度机械臂位置解析逆解　193

5.7.1M-DH建模　194

5.7.2参考平面与臂角　195

5.7.3位置逆解　197

5.7.4臂角求解　198

5.7.5臂角深入讨论　198

5.8手术机器人手眼标定　203

5.8.1手眼标定的数学模型　203

5.8.2手眼变换矩阵的线性解耦估计　204

5.8.3手眼变换矩阵的非线性同步估计　204

5.9基于MLE的手眼标定算法　205

5.9.1符号与表示　206

5.9.2测度函数　207

5.9.3测度函数的雅可比矩阵　208

5.9.4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　213

6.1.1线性系统稳定性　213

6.1.2李雅普诺夫间接方法　214

6.1.3不变集　216

6.1.4LaSalle定理　216

6.1.5一致最终有界　216

6.2关节电机速度控制　217

6.2.1系统模型　217

6.2.2速度开环控制　218

6.2.3速度闭环控制　219

6.3关节空间轨迹控制　220

6.4任务空间轨迹控制　221

6.5手术机械臂RCM约束　223

6.5.1RCM实现方式　224

6.5.2RCM约束解耦控制　225

6.5.3基于旋量的RCM约束轨迹生成　226

6.5.4RCM控制实验　228

6.6控制仿真　230

6.6.1关节速度控制仿真　231

6.6.2关节空间轨迹控制仿真　232

6.6.3任务空间轨迹控制仿真　234

6.6.4手术器械RCM约束解耦控制仿真　237

6.6.5基于旋量的RCM约束轨迹生成仿真　239

6.7基于EtherCAT的手术机械臂多轴控制　239

6.7.1EtherCAT通信协议　240

6.7.2IgH主站介绍　242

6.7.3CANopen协议　244

6.7.4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　252

7.1.1机器人参数　252

7.1.2从URDF文件提取动力学参数　252

7.1.3机械臂动力学的旋量表达　253

7.1.4动力学方程　254

7.1.5动力学方程的性质　257

7.2计算力矩控制　258

7.2.1关节空间控制　258

7.2.2任务空间控制　259

7.3鲁棒控制　264

7.4自适应控制　266

7.5无源控制　266

7.5.1无源鲁棒控制　267

7.5.2无源自适应控制　269

7.5.3回归矩阵计算　269

7.6干扰观测器　270

7.6.1基本观测器　271

7.6.2改进观测器　271

7.6.3设计　272

7.6.4设计　273

7.6.5零空间柔顺　274

7.7仿真实验　274

7.7.1无源鲁棒控制　275

7.7.2无源自适应控制　276

7.7.3外部力干扰　277

7.7.4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　284

8.1.1关节空间运动约束　284

8.1.2任务空间运动约束　285

8.2力-位混合控制　285

8.2.1力-位混合控制器　285

8.2.2力-位混合控制仿真　287

8.3阻抗控制　289

8.3.1任务空间控制力矩　290

8.3.2基于投影的零空间控制力矩　291

8.3.3基于零空间速度的控制力矩　292

8.3.4阻抗控制仿真　293

8.4导纳控制　295

8.4.1导纳控制原理　295

8.4.2状态开环导纳控制器　299

8.4.3状态闭环导纳控制器　301

8.4.4混合导纳控制器　303

8.4.5零重力拖动与力调控　303

8.5六维力传感器标定及重力和惯性力补偿　305

8.5.1六维力传感器的标定　306

8.5.2重力和惯性力补偿　307

8.5.3六维力传感器标定实验　308

8.5.4重力和惯性力补偿实验　308

8.6虚拟夹具约束　309

8.6.1虚拟夹具约束实现　310

8.6.2虚拟夹具约束模型　310

8.6.3实验验证　311

8.7力控制在医疗机器人中的应用　313

8.7.1自动超声扫描机器人　313

8.7.2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　326

9.1.1柔性机器人设计　326

9.1.2运动学分析　327

9.1.3系统设计与实验　332

9.2经尿道前列腺切除手术机器人　335

9.2.1经尿道手术机器人系统设计要求　336

9.2.2经尿道手术机器人系统总体方案　338

9.2.3经尿道手术机器人系统结构设计　339

9.2.4经尿道手术机器人控制系统设计　341

9.2.5经尿道手术机器人系统集成与测试　343

9.2.6动物器官体外实验　348

9.3图像引导下的脑室穿刺手术机器人　350

9.3.1总体方案设计　350

9.3.2穿刺执行器系统设计　351

9.3.3控制系统架构　352

9.3.4机械臂运动控制　352

9.3.5术前规划系统　353

9.3.6视觉导航系统　353

9.3.7实验方法　354

9.3.8实验结果　357

本章小结　357

参考文献　357