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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。

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

脊柱手术机器人的柔顺控制及骨削手术规划

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