柔索驱动式主动柔性针结构设计及运动控制研究
发布时间：2021-01-29 03:43
目前,微创介入是近年来迅速发展起来的一门崭新的医疗技术,在临床手术中广泛应用,并成为热点学科。采用“柔性针”来代替传统的“刚性针”是一个开创性的思维,克服了刚性针存在的上述弊端。然而,斜尖柔性针也存在瓶颈问题:弯曲半径相对固定,从而导致矫正路径偏差能力受到限制和穿刺路径形式不够灵活的问题。提出一种柔索驱动的主动柔性针,通过主动驱动斜尖进行摆动,改变其与组织的作用力的大小和方向,从而改变柔性针在组织中穿刺的弯曲半径,有效地解决了被动柔性针的瓶颈问题。首先,对柔索驱动主动针的结构进行设计与优化。与普通的穿刺针不同,主动柔性针设计是由外针和两侧开槽的内针组成,并且内针槽内还有两根细细的柔索穿过并牵引着针尖,他们中间的结构和受力比较复杂,弯曲变形时会存在内外针柔索之间的耦合。研究主动柔性针的结构优化,以弯曲的灵活性和受力变形的稳定性为目标,通过ANSYS静力学仿真和实验的方法,对主动柔性针的结构进行优化。主要分为针尖倾斜角的优化,针头长度的优化,内针开槽结构的分析与验证。其次,从材料力学性能入手,深入研究柔索的力学特性,选取合适材料,在此基础上建立柔索的传动特性模型。对柔索传动特性的关键问题进...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性针穿刺路径矫正Fig.1-1Flexibleneedlepunctureroutecorrection本文提出一种柔索驱动的主动柔性针，原理图如图1-2所示，将斜尖与针轴拆分成两部分，通过铰链连接，并通过“双套柔索”来驱动斜尖进行摆动，改
图 1-1 柔性针穿刺路径矫正Fig.1-1 Flexible needle puncture route correction本文提出一种柔索驱动的主动柔性针，原理图如图1-2所示，将斜尖与针轴拆分成两部分，通过铰链连接，并通过“双套柔索”来驱动斜尖进行摆动，改变其与组织的作用力的大小和方向，从而改变柔性针在组织中穿刺的弯曲半径，有效地解决了被动柔性针的瓶颈问题。提出的“主动柔性针”具有以下优势：（1）矫正路径偏差能力强：相比于被动柔性针，“主动柔性针”能穿刺出更小半径的弯曲路径，打破了传统被动柔性针的单一曲率路径的束缚，具有强大的矫正偏差路径的能力；（2）穿刺路径灵活度高：主动柔性针能穿刺出不同曲率的路径，可以根据实际情况，通过合理的规划，将不同曲率的路径进行空间连接，实现更为灵活和优化的路径
栅(FBG)的形状重建，在插入时测量针尖的位置。结果表明，该针可以从插入轴向20毫米的目标方向引导，深度为100毫米，平均目标误差为2.02毫米。他提出了一种针的模型（如图1-3），针有一个实际的尖端，针锥形的顶端安装在一个球关节上。在针的纵轴上的方向决定了弯曲的方向和弯曲的量[9，10]。图 1-3 驱动端针由一个灵活的轴和一个锥形的尖端组成Fig.1-3 The drive pin consists of a flexible shaft and a tapered tipTang L设计了一种符合避障和路径规划任务的柔性针。在三维空间导航中，采用磁力辅助的方法可以帮助实现更灵活的旋转针角度。同时，研究了针在插入时的屈曲效应。通过选择针的适当长度和半径的组合，可以避免屈曲效应，
【参考文献】：
期刊论文
[1]斜尖柔性针穿刺软组织受力建模及测量方法研究[J]. 张永德,石开铭,赵燕江,杨吉超,刘佳,黄磊. 仪器仪表学报. 2018(06)
[2]精密柔索传动技术研究现状及分析[J]. 范大鹏,谢馨,祁超,范世珣,张连超. 光学精密工程. 2018(05)
[3]基于改进RRT算法的套管柔性针运动规划[J]. 赵燕江,黄磊,杜海艳,张永德,胡海龙. 仪器仪表学报. 2017(03)
[4]应用TRIZ理论的套管柔性针穿刺机构设计[J]. 赵燕江,王瑞雪,张永德,武文强,王大斌. 哈尔滨理工大学学报. 2016(05)
[5]机器人辅助靶向穿刺手术关键技术综述[J]. 赵洪华,李国平,曹树坤,艾长胜,孙选. 济南大学学报(自然科学版). 2015(06)
[6]双套索系统力矩传动特性与摩擦补偿分析[J]. 吴青聪,王兴松,杜峰坡,陈林. 机械工程学报. 2015(05)
[7]双套索耦合传动系统建模与分析[J]. 陈林,王兴松. 机械工程学报. 2014(19)
[8]套索传动特性建模分析[J]. 奚如如,王兴松,鲁婧,盛陈. 机械工程学报. 2012(17)
[9]斜尖柔性针在软组织中的二维路径规划[J]. 张永德,赵燕江,陈浩. 机器人. 2011(06)
[10]柔性针穿刺路径规划综述[J]. 张永德,赵燕江,涂飞,陈浩,张艳华. 哈尔滨理工大学学报. 2011(04)
博士论文
[1]精密柔索传动机理与设计方法研究[D]. 鲁亚飞.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]新型斜角柔性针的设计及穿刺轨迹规划研究[D]. 王力鋆.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3006211
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性针穿刺路径矫正Fig.1-1Flexibleneedlepunctureroutecorrection本文提出一种柔索驱动的主动柔性针，原理图如图1-2所示，将斜尖与针轴拆分成两部分，通过铰链连接，并通过“双套柔索”来驱动斜尖进行摆动，改
图 1-1 柔性针穿刺路径矫正Fig.1-1 Flexible needle puncture route correction本文提出一种柔索驱动的主动柔性针，原理图如图1-2所示，将斜尖与针轴拆分成两部分，通过铰链连接，并通过“双套柔索”来驱动斜尖进行摆动，改变其与组织的作用力的大小和方向，从而改变柔性针在组织中穿刺的弯曲半径，有效地解决了被动柔性针的瓶颈问题。提出的“主动柔性针”具有以下优势：（1）矫正路径偏差能力强：相比于被动柔性针，“主动柔性针”能穿刺出更小半径的弯曲路径，打破了传统被动柔性针的单一曲率路径的束缚，具有强大的矫正偏差路径的能力；（2）穿刺路径灵活度高：主动柔性针能穿刺出不同曲率的路径，可以根据实际情况，通过合理的规划，将不同曲率的路径进行空间连接，实现更为灵活和优化的路径
栅(FBG)的形状重建，在插入时测量针尖的位置。结果表明，该针可以从插入轴向20毫米的目标方向引导，深度为100毫米，平均目标误差为2.02毫米。他提出了一种针的模型（如图1-3），针有一个实际的尖端，针锥形的顶端安装在一个球关节上。在针的纵轴上的方向决定了弯曲的方向和弯曲的量[9，10]。图 1-3 驱动端针由一个灵活的轴和一个锥形的尖端组成Fig.1-3 The drive pin consists of a flexible shaft and a tapered tipTang L设计了一种符合避障和路径规划任务的柔性针。在三维空间导航中，采用磁力辅助的方法可以帮助实现更灵活的旋转针角度。同时，研究了针在插入时的屈曲效应。通过选择针的适当长度和半径的组合，可以避免屈曲效应，
【参考文献】：
期刊论文
[1]斜尖柔性针穿刺软组织受力建模及测量方法研究[J]. 张永德,石开铭,赵燕江,杨吉超,刘佳,黄磊. 仪器仪表学报. 2018(06)
[2]精密柔索传动技术研究现状及分析[J]. 范大鹏,谢馨,祁超,范世珣,张连超. 光学精密工程. 2018(05)
[3]基于改进RRT算法的套管柔性针运动规划[J]. 赵燕江,黄磊,杜海艳,张永德,胡海龙. 仪器仪表学报. 2017(03)
[4]应用TRIZ理论的套管柔性针穿刺机构设计[J]. 赵燕江,王瑞雪,张永德,武文强,王大斌. 哈尔滨理工大学学报. 2016(05)
[5]机器人辅助靶向穿刺手术关键技术综述[J]. 赵洪华,李国平,曹树坤,艾长胜,孙选. 济南大学学报(自然科学版). 2015(06)
[6]双套索系统力矩传动特性与摩擦补偿分析[J]. 吴青聪,王兴松,杜峰坡,陈林. 机械工程学报. 2015(05)
[7]双套索耦合传动系统建模与分析[J]. 陈林,王兴松. 机械工程学报. 2014(19)
[8]套索传动特性建模分析[J]. 奚如如,王兴松,鲁婧,盛陈. 机械工程学报. 2012(17)
[9]斜尖柔性针在软组织中的二维路径规划[J]. 张永德,赵燕江,陈浩. 机器人. 2011(06)
[10]柔性针穿刺路径规划综述[J]. 张永德,赵燕江,涂飞,陈浩,张艳华. 哈尔滨理工大学学报. 2011(04)
博士论文
[1]精密柔索传动机理与设计方法研究[D]. 鲁亚飞.国防科学技术大学 2013
硕士论文
[1]新型斜角柔性针的设计及穿刺轨迹规划研究[D]. 王力鋆.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3006211
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