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核磁共振环境下微创手术机器人设计与控制的关键技术研究

作　者: 刘屾
导　师: 杨志永
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 核磁导航前列腺针刺手术运动学分析控制系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文以核磁导航的前列腺针刺手术机器人为研究对象,开发了机器人系统的若干关键环节,其中主要包括机器人材料和驱动方式的选择、结构设计、运动学分析与验证、控制系统设计等方面内容,并将其成功的运用于软组织针刺实验之中,辅助针刺轨迹优化及软组织动态仿真等相关项目的研究与验证。本文的主要工作和成果可以概括为以下几个方面:首先,以核磁导航的特点、空间限制、前列腺针刺手术的具体特点为基本前提,选用聚甲醛作为机器人制造的主要材料;综合利用气动驱动和超声波电机驱动的方式,分别作为针刺手术中针体定位和针刺的基本驱动元件。并在此基础之上,从理论需要和实际针刺手术的需要两方面综合考虑,设计了机器人的整体结构及其各部分细节,采用分层控制与设计的理念,每层可主体上实现针刺定位的不同功能,合理有效的完成前列腺针刺手术。其次,在机器人机构设计的基础上,对整个机构的运动学进行正逆解分析,从理论上肯定了机器人设计的合理性,并计算其对于针刺轨迹规划的具体实现方法。并验证其工作能力、可达空间范围、可控制性等方面的设计,均满足前列腺手术机器人的设计需求,能够按照设计路线完成针刺。最后,搭建机器人控制系统,开发视觉采集的软件系统,采集并处理空间坐标数据,通过实验验证机器人设计的合理性以及其运动学推导和控制理论的正确性。本文研究成果具有较高理论价值和应用价值,在核磁导航微创手术机器人的应用中具有一定的探索意义,并为其相关的后期改进打下良好的基础。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 微创手术机器人的研究意义  7-8
    1.1.1 微创外科手术  7
    1.1.2 微创手术机器人的研究意义  7-8
  1.2 微创手术机器人的发展现状  8-9
  1.3 核磁成像在微创手术机器人中的应用  9-14
    1.3.1 核磁导航微创手术机器人的发展意义  9-10
    1.3.2 核磁导航微创手术机器人的发展现状  10-11
    1.3.3 核磁导航的前列腺针刺手术机器人  11-14
  1.4 本文主要研究内容  14-15
第二章机器人结构设计  15-29
  2.1 引言  15
  2.2 设计要求分析  15-18
    2.2.1 前列腺针刺手术特点  15-17
    2.2.2 核磁环境的制约  17-18
  2.3 机器人功能分析及实现方式  18-23
    2.3.1 空间布局  18-19
    2.3.2 材料及动力设备的选取  19-21
    2.3.3 工作能力  21-23
  2.4 机器人结构设计  23-28
    2.4.1 整体设计  23-24
    2.4.2 各层结构设计  24-28
  2.5 小结  28-29
第三章机器人运动学分析  29-41
  3.1 引言  29
  3.2 机器人运动学正解  29-32
    3.2.1 选定坐标系  29-30
    3.2.2 机构正解推导  30-32
  3.3 机器人运动学逆解  32-34
    3.3.1 空间中针刺轨迹变化基本原理  32-33
    3.3.2 轨迹逆解推导  33-34
  3.4 轨迹优化  34-40
    3.4.1 针刺软组织动态有限元仿真的基本理论  34-35
    3.4.2 势能场理论  35-37
    3.4.3 针刺手术动态轨迹优化  37-38
    3.4.4 驱动元件反解  38-40
  3.5 工作空间  40
  3.6 小结  40-41
第四章机器人系统搭建与实验  41-53
  4.1 引言  41
  4.2 控制系统搭建  41-46
    4.2.1 控制系统整体原理  41-42
    4.2.2 气动控制  42-44
    4.2.3 超声波电机控制  44-46
  4.3 视觉采集系统搭建  46-48
  4.4 实验验证  48-52
  4.5 小结  52-53
第五章全文结论  53-54
  5.1 结论  53
  5.2 展望  53-54
参考文献  54-58
发表论文和参加科研情况说明  58-59
致谢  59

核磁共振环境下微创手术机器人设计与控制的关键技术研究

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