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脊柱手术机器人的柔顺控制及骨削手术规划
作 者: 郑小丽
导 师: 杨唐胜
学 校: 湖南大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 脊柱机器人 主被动控制 阻抗控制 手术路径规划 G代码解释
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 41次
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内容摘要
随着机器人技术的发展和进步,机器人的控制越来越精确,实现的功能也越来越多。机器人不再只是用在工业领域,越来越多的机器人用于外科手术。本文以6自由度的脊柱手术机器人作为研究对象,对脊柱手术机器人的柔顺控制及骨削手术规划进行了研究。本文主要研究内容有:(1)对脊柱手术机器人的运动学及控制方案进行了分析研究。根据机器人的结构特点,采用D-H法分析了机器人的正逆运动学问题;通过矢量微分法计算出机器人的雅可比矩阵,将其用于机器人的奇异位形分析以及柔顺控制算法计算;针对脊柱手术的定位难、风险大等特点,给出了机器人的主被动控制方案,并制定了主被动的控制流程。(2)研究了脊柱手术机器人的柔顺控制算法。在对阻抗控制算法进行研究的基础上,将基于力的阻抗控制引入机器人被动控制模式中,通过控制机器人的关节驱动力来实现机器人的柔顺控制;通过对机器人的被动拖拽实验,验证了基于力的阻抗控制算法能有效实现对机器人的柔顺控制。(3)研究了脊柱手术机器人的骨削手术路径规划方法。针对脊柱骨结构复杂难以规划手术路径的特点,使用Unigraphics(简称UG)的CAD/CAM功能生成脊柱骨磨削的G代码,通过对G代码的解释可以提取出安全的手术路径。(4)设计了脊柱手术机器人的可视化仿真及控制软件。设计了机器人可视化仿真软件,该软件能可视化跟踪机器人的运动,利用该软件可验证机器人运动学正逆解的正确性,以及骨削手术路径的可行性。设计了脊柱手术机器人的控制软件,实现对机器人运动的控制,软件设计采用模块化结构,可以对数据集中处理,提高控制系统的实时性,方便人机交互。
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全文目录
摘要 5-6 Abstract 6-9 第1章 绪论 9-16 1.1 论文的背景及意义 9 1.2 国外手术机器人的现状 9-12 1.3 国内手术机器人的现状 12-13 1.4 机器人的柔顺控制技术 13-14 1.5 论文组织结构 14-16 第2章 脊柱手术机器人运动学分析及控制方案 16-32 2.1 脊柱手术机器人的结构 16-17 2.2 脊柱手术机器人的运动学分析 17-27 2.2.1 机器人运动学正解 18-20 2.2.2 机器人运动学逆解 20-23 2.2.3 机器人的雅可比矩阵 23-26 2.2.4 机器人奇异位形的分析 26-27 2.3 脊柱手术机器人控制方案设计 27-31 2.3.1 脊柱手术机器人的硬件系统介绍 27-29 2.3.2 脊柱手术机器人控制模式设计 29-30 2.3.3 主被动控制流程 30-31 2.4 小结 31-32 第3章 脊柱手术机器人的柔顺控制 32-43 3.1 机器人的阻抗控制 32-35 3.2 力信号处理 35-36 3.3 被动拖拽实验及实验结果分析 36-42 3.4 小结 42-43 第4章 骨削手术规划设计 43-52 4.1 骨削手术规划设计 43-44 4.2 UG 辅助生成手术路径设计 44-51 4.2.1 G 代码的生成 45-46 4.2.2 G 代码解释程序 46-51 4.3 小结 51-52 第5章 脊柱手术机器人可视化仿真及控制软件的设计 52-62 5.1 脊柱手术机器人可视化仿真 52-54 5.2 控制软件模块设计 54-61 5.2.1 控制软件模块的信息交互 56-57 5.2.2 控制软件的实现 57-61 5.3 小结 61-62 结论 62-64 参考文献 64-68 致谢 68-69 附录 A 攻读学位期间所发表学术论文目录 69
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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