| Dedication | 第4-5页 |
| Acknowledgements | 第5-7页 |
| 摘要 | 第7-9页 |
| Abstract | 第9-11页 |
| List of Abbreviations | 第21-22页 |
| Chapter 1 Introduction | 第22-32页 |
| 1.1 Research Background | 第22-25页 |
| 1.2 Research Motivation and Significance | 第25-26页 |
| 1.3 Key Research Challenges and Thesis Objective | 第26-28页 |
| 1.3.1 Kinematics Constraints Control | 第27页 |
| 1.3.2 Dynamic Constraints Control | 第27-28页 |
| 1.3.3 Teleoperation Constraints Control | 第28页 |
| 1.4 Major Contributions of thesis | 第28-29页 |
| 1.5 Organization of thesis | 第29-31页 |
| 1.6 Publication Notes | 第31-32页 |
| Chapter 2 Literature Review | 第32-74页 |
| 2.1 A Roadmap to Flexible Robotics in Minimally Invasive Surgery | 第32-34页 |
| 2.2 Flexible Surgical Robotics in Minimally Invasive Surgery | 第34-47页 |
| 2.2.1 Core Principles | 第35-37页 |
| 2.2.1.1 Single-port surgery ….… | 第35页 |
| 2.2.1.2 Range of motion ....… | 第35-36页 |
| 2.2.1.3 Spatial steerability .. ..… | 第36页 |
| 2.2.1.4 Surgical precision .… | 第36-37页 |
| 2.2.2 Classifications | 第37-47页 |
| 2.2.2.1 Design mechanisms..… | 第37-42页 |
| 2.2.2.2 Actuation strategy | 第42-44页 |
| 2.2.2.3 Clinical applications | 第44-47页 |
| 2.3 Motion Control in Flexible Surgical Robotics | 第47-59页 |
| 2.3.1 Motion Constraints Control | 第47-55页 |
| 2.3.1.1 Kinematics modeling and control | 第47-51页 |
| 2.3.1.2 Dynamics modeling and analysis | 第51-53页 |
| 2.3.1.3 Motion planning and collision avoidance … | 第53-55页 |
| 2.3.2 Teleoperation of Flexible Surgical Robotics | 第55-59页 |
| 2.3.2.1 Existing teleoperation systems | 第56-57页 |
| 2.3.2.2 Teleoperation control methods and limitations | 第57-59页 |
| 2.4 Achievements of Flexible Robotics in MIS | 第59-72页 |
| 2.4.1 Research Achievements | 第60-66页 |
| 2.4.2 Clinical Trials and Applications | 第66-70页 |
| 2.4.2.1 Abdominal interventions | 第66-67页 |
| 2.4.2.2 Cardiac interventions | 第67-69页 |
| 2.4.2.3 Colorectal interventions | 第69页 |
| 2.4.2.4 Ophthalmological interventions | 第69-70页 |
| 2.4.2.5 Cranial interventions | 第70页 |
| 2.4.3 Technical Challenges | 第70-72页 |
| 2.4.3.1 Design and instrumentation | 第71页 |
| 2.4.3.2 Navigation modeling and control | 第71-72页 |
| 2.4.3.3 Teleoperation and feedback system | 第72页 |
| 2.5 Summary | 第72-74页 |
| Chapter 3 Flexible Robotic System Designs and Prototypes | 第74-86页 |
| 3.1 Introduction | 第74页 |
| 3.2 Flexible Robotic System for Radiosurgery | 第74-78页 |
| 3.2.1 Design Motivation | 第74-75页 |
| 3.2.2 Design Mechanism and Component Descriptions | 第75-78页 |
| 3.3 Flexible Robotic Catheter System | 第78-85页 |
| 3.3.1 Design Motivations | 第78-79页 |
| 3.3.2 Design Prototypes and Component Descriptions | 第79-85页 |
| 3.3.2.1 First generation robotic catheter system | 第79-80页 |
| 3.3.2.2 Second generation robotic catheter system | 第80-85页 |
| 3.4 Remarks | 第85-86页 |
| Chapter 4 Non-Iterative IK Modeling in Surgical Snake-like Robots | 第86-112页 |
| 4.1 Introduction | 第86页 |
| 4.2 Related Works | 第86-88页 |
| 4.3 IK Model for Flexible PRn2R Snake-like Robot … | 第88-96页 |
| 4.3.1 Design of PRn2R Flexible Model | 第88-89页 |
| 4.3.2 Geometric IK Model for IK with PRn2R Configurations | 第89-92页 |
| 4.3.3 Experiments and Model Validation | 第92-96页 |
| 4.3.3.1 Experimental Results | 第92-94页 |
| 4.3.3.2 Model validation | 第94-96页 |
| 4.4 IK Solution for Lead-Module in 2nR Snake-like Robot | 第96-109页 |
| 4.4.1 Non-Iterative Geometric Approach for Spatially Flexible Robots … | 第96-102页 |
| 4.4.1.1 Two-link lead-module | 第97-98页 |
| 4.4.1.2 Four-link lead-module … | 第98-102页 |
| 4.4.2 Implementations and Results | 第102-106页 |
| 4.4.2.1 Results from simulated model | 第103-106页 |
| 4.4.3 Model Evaluation and Discussions | 第106-109页 |
| 4.4.3.1 Arbitrary points in workspace | 第106页 |
| 4.4.3.2 Complete workspace evaluation | 第106-107页 |
| 4.4.3.3 Comparison with existing methods | 第107-109页 |
| 4.5 Summary and Remarks | 第109-112页 |
| Chapter 5 Iterative IK Modeling in Surgical Snake-like Robots | 第112-134页 |
| 5.1 Introduction | 第112页 |
| 5.2 Related works | 第112-114页 |
| 5.3 Deeply-Learnt Damped Least-Squares IK Method for Snake-like Robots…… | 第114-132页 |
| 5.3.1 Prototype of the Snake-like Robot | 第115页 |
| 5.3.2 Proposed Deeply-learnt DLS IK Method | 第115-120页 |
| 5.3.2.1 Jacobian DLS method | 第116-118页 |
| 5.3.2.2 Prediction of damping factor by deep learning | 第118-120页 |
| 5.3.3 Model Implementation and Experimentation | 第120-125页 |
| 5.3.3.1 Implementation of DNN | 第121-124页 |
| 5.3.3.2 Implementation results | 第124-125页 |
| 5.3.4 Performance Evaluations | 第125-132页 |
| 5.3.4.1 Evaluation based on DNN’s prediction | 第125-127页 |
| 5.3.4.2 Evaluation based on existing IK methods | 第127-132页 |
| 5.4 Summary and Remarks | 第132-134页 |
| Chapter 6 Dynamic Constraint Modeling in Intraluminal Surgical Robots | 第134-164页 |
| 6.1 Introduction | 第134页 |
| 6.2 Related works | 第134-136页 |
| 6.3 Dynamic Constraint Modeling for the Snake-like Robot | 第136-144页 |
| 6.3.1 Kinematics Modeling for Dynamics Control of the Snake-like Robot | 第136页 |
| 6.3.2 Dynamics Modeling | 第136-139页 |
| 6.3.2.1 Forward Recursion | 第138-139页 |
| 6.3.2.2 Backward Recursion | 第139页 |
| 6.3.3 Experiments and Results | 第139-144页 |
| 6.4 Adaptive Compensation of Backlash in Robotic Catheter System | 第144-161页 |
| 6.4.1 Backlash Characterization during Catheterization | 第144-148页 |
| 6.4.2 Proposed Adaptive Compensation System | 第148-153页 |
| 6.4.2.1 Boundedness strategy required for backlash prediction | 第148-149页 |
| 6.4.2.2 Learning-based model for backlash prediction | 第149-151页 |
| 6.4.2.3 Contact force modulation | 第151-152页 |
| 6.4.2.4 Adaptive backlash compensation | 第152-153页 |
| 6.4.3 In-Vitro Experiment and Validation | 第153-161页 |
| 6.4.3.1 Experimental Setup | 第153-156页 |
| 6.4.3.2 In-vitro catheterization validation | 第156-160页 |
| 6.4.3.3 Comparison with existing robotic catheter systems | 第160-161页 |
| 6.5 Summary and Remarks | 第161-164页 |
| Chapter 7 Teleoperation Models for Intraluminal Surgical Robots in MS Flexible Pathway Navigations | 第164-184页 |
| 7.1 Introduction | 第164-165页 |
| 7.2 Study on Teleoperation of Flexible Snake-like Robot | 第165-175页 |
| 7.2.1 MS Robotic Control in Isometric Workspaces | 第165-170页 |
| 7.2.1.1 Kinematics model for Phantom Omni device | 第166-167页 |
| 7.2.1.2 Fuzzy-PD control model for MS teleoperation | 第167-168页 |
| 7.2.1.3 Simulation results and evaluation | 第168-170页 |
| 7.2.2 MS Robotic Control in Non-Isometric Workspaces | 第170-175页 |
| 7.2.2.1 Kinematics solution of the MS devices | 第170-171页 |
| 7.2.2.2 Workspace mapping | 第171-172页 |
| 7.2.2.3 Experimental validations | 第172-175页 |
| 7.3 Study on Teleoperation of Robotic Catheter System | 第175-181页 |
| 7.3.1 Teleoperation of the robotic catheter system | 第175-177页 |
| 7.3.2 Motion and Force Feedback System | 第177-179页 |
| 7.3.2.1 Acquisition module | 第177-178页 |
| 7.3.2.2 Feedback module | 第178-179页 |
| 7.3.3 Experimental results and discussions | 第179-181页 |
| 7.4 Summary and Remarks | 第181-184页 |
| Chapter 8 Conclusions and Future Works | 第184-190页 |
| 8.1 Conclusions | 第184-185页 |
| 8.2 Limitations | 第185-188页 |
| 8.2.1 Intraluminal Access Surgery with the Snake-like Robotic System | 第185-187页 |
| 8.2.2 Intraluminal Access with the Robotic Catheter System | 第187-188页 |
| 8.3 Future Works | 第188-190页 |
| References | 第190-208页 |
| Author’s Biography | 第208-211页 |
