被动式经直肠超声探头位姿调整机构设计与分析

发布时间：2020-06-20 13:04

【摘要】：随着机器人技术和计算机影像学技术的发展,微创手术也取得了巨大进步,并越来越多地应用于临床治疗。然而现有的主动式前列腺介入机器人由于其系统复杂、成本高、使用培训时间较长,推广应用较为困难。鉴于此,本文设计了一种被动式经直肠超声探头位姿调整机构,用以辅助医生完成前列腺穿刺手术,进而实现前列腺癌的诊断,该机构可以有效地提高手术效率、手术精度和手术安全性,而且能减少患者的痛苦并降低应用成本和医生的劳动强度。本文分析了超声引导下经直肠前列腺活检手术流程,并以此为基础提出了超声探头位姿调整机构的设计准则;利用矛盾矩阵和发明原理设计了可以实现四个关节同时锁紧的位置调整模块,使用序列二次规划算法对其连杆尺寸进行优化,得到了满足手术需求工作空间下的最优尺寸;采用双平行四边形远心机构设计了能够使超声探头实现定心功能的姿态调整模块,防止手术过称中超声探头的径向蹿动;采用C型结构设计的超声探头自转及进给模块,便于安装超声探头和穿刺架,避免发生干涉,6个独立分布的橡胶块可以实现对不规则形状的超声探头的夹紧。利用Matlab对机构的可达工作空间进行求解,得到了该工作空间和手术需求工作空间的对应位置关系,结果表明机构的可达工作空间可以满足手术要求;对超声探头在不同进给距离下调整姿态时的定心效果进行仿真,结果表明超声探头定心稳定;利用ANSYS在自重及干扰载荷下对机构在最远端和最近端的两种位姿分别进行刚度和强度分析,结果表明机构的整体变形满足手术要求,最大等效应力远小于材料许用应力,验证了机构的安全性。研制了被动式经直肠超声探头位姿调整机构的物理样机,对各个关节的连续运动范围、锁紧力以及关节在放松状态下所需的驱动力进行了测量,验证了该机构可以灵活到达手术需求工作空间任意位置的使用性能,且锁紧定位可靠;对机构在自重情况下处于不同姿态时的静刚度进行了测量,得到了远心点在机构锁紧状态下由于自重变形相对于理论坐标点发生的位移,结果表明该位移量可以满足手术要求,并为医生操作机构时的误差补偿提供依据;测量了实际手术操作中调整超声探头姿态时远心点的定心效果,得到了远心点在空间中的位移范围,结果表明超声探头的定心效果稳定,所设计的被动式经直肠超声探头位姿调整机构可满足手术要求。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TB559
【图文】：

超声图像,机器人系统,前列腺,超声探头

图 1-1 前列腺粒子植入机器人系统Fig. 1-1 Prostatic seeds implantation robot system美国工程研究中心和 Johns Hopkins 大学合作开发了一种包含超声图像导和 TPS 的机器人系统，如图 1-2 所示。该系统的最大特点是把一个小型四自度并联机器人安装在超声探头正上方，使并联机器人和超声探头调整机构的[7, 8]

机器人系统

图 1-2 包含 US 导航和 TPS 的机器人系统Fig. 1-2 A robot system with US navigation and TPS

【参考文献】