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核磁图像导向手术机器人结构设计与动力学分析

作　者: 郭杰
导　师: 杨志永
学　校: 天津大学
专　业: 机械工程
关键词: 核磁共振成像针刺手术机器人运动学动力学
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文以基于核磁共振图像导向的前列腺针刺手术机器人为研究对象，开发设计了机器人机械子系统，并对机器人运动学和动力学进行了研究。主要包括机器人本体结构材料、驱动器和传感器的选取，机器人结构设计，运动学和动力学建模等方面内容。结合已搭建的控制系统，通过针刺精度实验对机器人的机构运动精度进行了验证。本文主要研究内容与成果概括为如下几个方面：首先，以满足核磁图像导向前列腺针刺手术机器人的设计需求为出发点，选用聚甲醛（POM）作为机器人本体结构材料，采用分层模块化思想设计了机器人整体结构。以核磁兼容编码器作为机构位置检测传感器，并采用气压驱动和超声波电机驱动相结合的混合驱动方式，实现针体空间位姿的调整。其次，对机器人进行了运动学分析，推导了运动学正逆解和雅克比矩阵，同时对机器人可达工作空间进行计算，从理论上验证机器人设计的合理性。采用一种兼顾机构灵活度和工作空间大小的灵活度评价指标，以全局综合条件数最小为最优运动学性能评价指标，对机器人进行尺度综合分析并获得最优主要结构尺寸大小。最后，采用拉格朗日方法建立了机器人动力学模型，在此基础上结合主要运动副间摩擦力对机构运动的影响，分析了机构运动过程中驱动气缸的工作负载。通过针刺精度实验验证了机构运动学推导和控制理论的正确性，同时对机构的针刺精度进行评估。本文研究成果具有较高的理论意义和实际应用价值，在核磁图像导向手术机器人的设计及应用中具有一定的探索意义，并为其相关的后续工作奠定良好的基础。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-14
    1.2.1 核磁导向前列腺针刺手术机器人  9-12
    1.2.2 机构运动学分析  12-13
    1.2.3 机构动力学分析  13-14
  1.3 本文主要研究内容  14-15
第二章机器人结构设计  15-28
  2.1 引言  15
  2.2 设计需求分析  15-18
    2.2.1 前列腺针刺手术特点  15-16
    2.2.2 工作空间要求  16
    2.2.3 核磁环境的要求  16-17
    2.2.4 工作能力分析  17-18
  2.3 机器人整体设计  18-23
    2.3.1 结构本体材料  18
    2.3.2 驱动器  18-20
    2.3.3 传感器  20
    2.3.4 结构设计  20-22
    2.3.5 控制系统设计  22-23
  2.4 对比改进之处  23-26
    2.4.1 优化驱动力分配  24
    2.4.2 提高机构稳定性  24-25
    2.4.3 增加机构紧凑性  25-26
    2.4.4 提高机构控制精度  26
    2.4.5 优化针体安装位置  26
  2.5 小结  26-28
第三章机器人运动学分析与尺度综合  28-43
  3.1 引言  28
  3.2 机器人运动学分析  28-35
    3.2.1 坐标系建立  28-29
    3.2.2 运动学正解  29-31
    3.2.3 运动学逆解  31-33
    3.2.4 雅克比矩阵  33-35
  3.3 机器人尺度综合  35-39
    3.3.1 工作空间定义与设计变量  35-36
    3.3.2 条件数与目标函数  36
    3.3.3 约束条件  36-37
    3.3.4 优化设计  37-39
  3.4 实例  39-42
  3.5 小结  42-43
第四章机器人动力学分析与实验  43-55
  4.1 引言  43
  4.2 动力学建模  43-47
    4.2.1 拉格朗日方法介绍  43
    4.2.2 针刺层和抬升层动力学建模  43-45
    4.2.3 平移层动力学建模  45-47
  4.3 动力学仿真  47-53
    4.3.1 仿真条件  47
    4.3.2 最大工作负载  47-50
    4.3.3 实时工作负载  50-53
  4.4 针刺精度实验  53-54
  4.5 小结  54-55
第五章总结与展望  55-57
  5.1 总结  55
  5.2 展望  55-57
参考文献  57-61
发表论文和参加科研情况说明  61-62
致谢  62

核磁图像导向手术机器人结构设计与动力学分析

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