基于3-RPS并联机构的微创脊柱手术导引设备稳健优化设计

发布时间：2017-04-07 13:21

  本文关键词：基于3-RPS并联机构的微创脊柱手术导引设备稳健优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在脊柱手术中，椎弓根植钉手术需要对脊柱进行钻孔，由于毗邻神经根和脊髓，尤其是在颈部寰枢椎手术，紧邻呼吸系统和循环中枢，稍有不慎就会造成脊髓或延髓的损伤，因此对脊柱手术的高要求、高精准度，使得机器人在手术中的应用迫在眉睫。本文以3-RPS并联机构为基础，，研发出一款微创脊柱手术导引器。对微创手术导引器的主体3-RPS并联机构进行机构分析；通过对稳健优化算法的研究，考虑3-RPS并联机构的运动学和动力学性能，利用遗传算法对3-RPS并联机构进行结构参数的优化设计。 本文根据脊柱手术的具体要求，结合并联机构特点，提出了一种基于3-RPS并联机构的新型微创手术导引器，利用封闭矢量法对该机构的运动学逆解分析并给出求解方法；分析评价了四种不同工作空间并给出求解算法；对3-RPS并联机构运动学分析的基础上求解了雅可比矩阵，提出了两种对机构灵活度分析的指标函数。 利用商用有限元软件AnsysWorkbench对并联机构进行动力学分析。利用SolidWorks三维实体建模软件建立3-RPS并联机构的实体模型，导入到有限元软件AnsysWorkbench中，通过对铰链的有限元处理，对3-RPS并联机构进行动力学模型的模态分析，得出了该模型的固有频率和振型。 提出一种新型的稳健优化设计方法。通过Boxbehken的实验设计，并利用有限元软件AnsysWorkbench生成了初始实验样本点。通过最小二乘法，拟合了3-RPS并联机构的单响应动力学数学模型。采用Kriging插值、神经网络加强法来产生新的样本点的方法进行稳健优化设计。最后利用遗传算法对含有运动学、动力学指标的目标函数进行了多目标优化。 以3-RPS并联机构为基础，提出了微创手术导引器的构型方案，对机械结构设计及控制系统设计，开发了微创脊柱手术导引器的原型样机。
【关键词】：并联机构 脊柱手术 动态特性 稳健设计 优化设计
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH112;TH777
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题研究背景11-12
• 1.3 国内外研究现状及分析12-17
• 1.3.1 并联机器人发展动态分析12-14
• 1.3.2 手术机器人发展动态分析14-17
• 1.4 本论文主要研究内容17-19
• 第2章 微创脊柱手术导引设备构型设计及运动学分析19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 微创脊柱手术导引器的构型设计19-21
• 2.3 3-RPS 并联机构的运动学逆解21-23
• 2.4 3-RPS 并联机构雅可比矩阵的求解23
• 2.5 3-RPS 并联机构灵活度的求解23-25
• 2.5.1 雅可比矩阵条件数24
• 2.5.2 机器人的可操作度24-25
• 2.6 3-RPS 并联机构工作空间的求解25-26
• 2.7 本章小结26-27
• 第3章 3-RPS 并联机构的动力学分析及有限元分析27-33
• 3.1 并联机构的动力学分析介绍27
• 3.2 3-RPS 并联机构的动力学分析27-28
• 3.3 3-RPS 并联机构的有限元建模28-30
• 3.4 3-RPS 并联机构的有限分析30-32
• 3.5 本章小结32-33
• 第4章 3-RPS 并联机构的稳健优化设计33-45
• 4.1 稳健优化设计介绍33
• 4.2 3-RPS 并联机构优化的实验设计33-34
• 4.3 基于多项式的响应面法34-36
• 4.4 Kriging 插值法36-37
• 4.5 神经网络加强法37
• 4.6 多目标优化37-39
• 4.7 动力学指标函数39-41
• 4.8 3-RPS 并联机构的稳健优化设计41-44
• 4.8.1 设计变量41
• 4.8.2 目标函数41-42
• 4.8.3 约束条件42
• 4.8.4 基于运动学、动力学的多目标优化结果42-44
• 4.9 本章小结44-45
• 第5章 微创脊柱手术导引设备控制及实验45-53
• 5.1 手术流程规划45-46
• 5.2 控制界面的设计46-49
• 5.2.1 Qt 简介46-47
• 5.2.2 Visual Studio 简介47
• 5.2.3 控制界面的设计47-49
• 5.3 CAN 总线控制49-52
• 5.3.1 CAN 总线简介49-50
• 5.3.2 微创手术导引器控制架构50-52
• 5.4 微创脊柱手术导引器实验52
• 5.5 本章小结52-53
• 结论53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-59
• 作者简介59
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果59-60

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 高峰;并联机器人设计理论及其关键应用技术研究[J];河北工业大学学报;2004年02期

2 王波;张大鹏;李小满;;三自由度平面并联机器人误差分析[J];江苏科技大学学报(自然科学版);2009年02期

3 覃艳明,张一同,鹿玲,赵永生;5-UPS/PRPU五自由度并联机床精度分析[J];机械设计与研究;2004年04期

4 张跃敏;谢刚;;并联机器人机构研究概述[J];机械工程师;2008年07期

5 鞠浩;张建勋;安刚;裴晓旭;;机器人辅助脊柱微创手术系统设计与实现[J];南开大学学报(自然科学版);2008年04期

6 王洪斌 ,魏立新 ,王洪瑞;并联机器人的理论研究现状[J];自动化博览;2002年05期

  本文关键词：基于3-RPS并联机构的微创脊柱手术导引设备稳健优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：290545