鼻内镜手术辅助机器人系统设计研发

发布时间：2017-09-26 02:03

  本文关键词：鼻内镜手术辅助机器人系统设计研发

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【摘要】：传统的鼻腔手术的操作模式下医生只能单手操作手术器械,这一模式直接影响手术效果、手术时间以及术后患者康复的时间。因此,研究者们试图依靠机器人持镜系统来代替医生进行持镜操作。本文针对传统鼻腔手术操作模式存在的问题,在分析了国内外科研机构的研究水平的基础上,提出了一款七自由度的基于光学跟踪系统的机器人系统,该系统能够跟随手术器械的运动的同时调整自身的位姿以达到不同的视野效果。另外,机器人末端配有的六维力/力矩传感器能够实时测得鼻内镜末端与外界之间的力信息,从力学的角度增强了机器人操作的安全性。文中首先是在分析了机器人所需的自由度的基础上提出了机器人整个系统的结构方案,将机器人分为定位机构、姿态调整机构和机器人固定结构三部分,并对每个部分进行了详细的结构设计和后续的加工装配等工作。其次,论文运用了DH参数法对机器人进行运动学分析,给出了运动学求解的详细过程并对求得的运动学方程进行多解剔除和程序验证工作,以及运用迭代法对机器人的工作空间进行了简单的求解;论文之后完成了机器人控制系统的搭建和机器人调试工作,每个关节的电气元件都给出了详细的选型计算,对机器人的回零操作和运动学正逆解程序都做了程序上的验证;最后,论文对设计加工好的机器人系统设计了实验对机器人功能性和机器人控制精度进行实验验证和分析,从实验的角度给出了机器人的运动控制精度。论文的创新之处在于提出了一款新型的鼻内镜手术辅助机器人,并将光学位置跟踪系统和力/力矩传感器等技术应用到机器人上来增强机器人控制安全。整个机器人系统的设计为后续的学者提供了一些参考。
【关键词】：鼻内镜手术机器人 结构设计 RCM机构 伺服控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH785.2;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-18
• 1.1 课题研究的意义及背景8-9
• 1.2 国内外研究状况9-13
• 1.2.1 国外研究状况10-12
• 1.2.2 国内研究状况12-13
• 1.3 机器人人机交互方式13-17
• 1.3.1 语音控制13-14
• 1.3.2 踏板/按键控制14-15
• 1.3.3 协同控制15
• 1.3.4 图像控制15-16
• 1.3.5 目标跟踪控制16-17
• 1.4 课题来源与主要研究内容17-18
• 第2章 鼻内镜手术机器人结构设计18-28
• 2.1 引言18
• 2.2 鼻内镜手术典型手术流程分析18-20
• 2.3 鼻内镜手术机器人自由度需求分析20-21
• 2.3.1 位置调整机构自由度需求分析20
• 2.3.2 姿态调整机构自由度需求分析20-21
• 2.4 鼻内镜手术机器人设计参数21-22
• 2.5 鼻内镜手术辅助机器人结构设计22-27
• 2.5.1 机器人结构方案确定22
• 2.5.2 位置调整机构设计22-23
• 2.5.3 RCM结构设计23-25
• 2.5.4 深度进给及角度补偿结构设计25-26
• 2.5.5 机器人固定方式设计26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 鼻内镜手术机器人运动学分析28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 机器人结构分析及局部坐标系建立28-30
• 3.3 鼻内镜手术机器人正向运动学分析30-32
• 3.4 鼻内镜手术机器人逆向运动学分析32-35
• 3.5 机器人运动学程序验证35-37
• 3.6 机器人工作空间分析37-38
• 3.7 本章小结38-39
• 第4章 机器人控制系统搭建39-48
• 4.1 引言39
• 4.2 控制系统组成39
• 4.3 电气元件选型39-47
• 4.3.1 电机选型40-44
• 4.3.2 编码器选型44-45
• 4.3.3 伺服驱动器和控制卡选型45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 实验平台搭建及仿真48-59
• 5.1 引言48
• 5.2 实验平台搭建48-49
• 5.2.1 机器人控制界面48-49
• 5.3 RCM结构性验证实验49-55
• 5.3.1 实验方法50-53
• 5.3.2 实验数据处理53-54
• 5.3.3 实验结果及分析54-55
• 5.4 机器人重复定位精度实验55-58
• 5.4.1 实验原理和方法55
• 5.4.2 实验分组和实验数据55-56
• 5.4.3 结果与分析56-58
• 5.5 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-67
• 致谢67

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