股骨干骨折复位辅助机器人系统研制

发布时间：2017-10-19 08:44

  本文关键词：股骨干骨折复位辅助机器人系统研制

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【摘要】：现代工业、建筑和交通的高速发展使得“高能损伤”变得越来越常见。微创骨科手术以其创伤小、恢复快、疼痛轻的优势逐渐为人所接受。然而微创手术需要频繁使用X射线造影设备。射线损伤,其危害众所周知,加之微创手术学习曲线长,尚未形成规范的术式,严重阻碍了微创骨科手术的普及。本文开发了一套针对股骨干骨折的辅助复位机器人,围绕骨折复位机构、控制和复位实验进行了相关研究。本文首先归纳整理了临床上针对不同类型的股骨干骨折的复位手法,对比了国内外研究的骨折手术机器人的优缺点之后,依据手法复位的步骤和特点,提出了分体式的股骨干骨折复位机构的设计思路。提出了若干种设计方案并分析其优缺点,最终确定了基于软体气囊的无创复位机构和独立牵引复位机构。用D-H法对复位机构做了正逆运动学分析,为复位机构的控制做准备。对气囊式骨折段复位器中碳纤维套筒的受力进行了理论分析与仿真,对薄弱环节进行了优化设计。本文着重研究了本设计的特殊执行器——气囊。运用ABAQUS软件对所设计的乳胶-尼龙气囊做了有限元仿真,接着实验结合仿真研究了气囊的力学特性,明确了气囊的输出位移与气囊气压以及复位力之间的定量关系。探索了一种运用气压和力反馈间接得到气囊膨胀位移的控制模型。然后研究了独立牵引复位机构的电机驱动部分和气囊复位器的气动驱动部分,开发了基于STM32单片机的下位机和具备人机交互界面的上位机,完成电路板的设计与加工、单片机和上位机程序的编写,完成了整个驱动、控制系统的搭建。最后本文进行了股骨干骨折复位力的测量实验,获得了临床测量骨折复位力的第一手资料,对骨折复位手术机器人增加了实验支持,为复位机构的设计提供参考依据,同时通过分析复位力,验证了复位过程中进行力反馈的必要性。运用所设计的骨折复位机器人在真实的手术室环境下,对制作的人体假肢进行了骨折复位实验,验证了复位功能的有效性。
【关键词】：骨折复位 气囊 机器人辅助 股骨干
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 骨折复位机器人10-12
• 1.2.2 对比分析12-13
• 1.2.3 复位力测量13-14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 1.4 论文组织结构15-16
• 第二章 复位器的结构设计及运动学分析16-34
• 2.1 股骨干骨折的治疗过程16-18
• 2.2 独立牵引旋转复位装置的设计18-22
• 2.2.1 方案设计18-20
• 2.2.2 吸盘的选用20-21
• 2.2.3 电机选型21-22
• 2.3 骨折段复位装置的设计22-29
• 2.3.1 方案设计与选择22-25
• 2.3.2 气囊的设计25-27
• 2.3.3 碳纤维套筒的设计27-29
• 2.4 骨折复位的运动学分析29-33
• 2.4.1 D-H坐标系的建立30-31
• 2.4.2 正逆运动学分析31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 复位机构软体驱动力学特性研究34-42
• 3.1 气囊力特性仿真34-36
• 3.1.1 仿真准备34-35
• 3.1.2 仿真结果35-36
• 3.2 气囊力特性实验研究36-41
• 3.2.1 实验装置37-38
• 3.2.2 实验数据分析38-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第四章 系统驱动与软硬件实现42-58
• 4.1 控制系统的搭建42-43
• 4.1.1 系统总体设计42
• 4.1.2 无线组网42-43
• 4.2 器件选型与驱动设计43-51
• 4.2.1 基于stm32微控制器43
• 4.2.2 电磁阀及其驱动43-45
• 4.2.3 力传感器及其信号处理45-47
• 4.2.4 遥控器模块47
• 4.2.5 电机驱动器的选型与设置47-49
• 4.2.6 拉力传感器的选型与信号处理49-51
• 4.3 股骨骨折复位辅助机器人的控制51-55
• 4.3.1 脉宽调制对控制普通电磁阀的运用51
• 4.3.2 PID算法的运用51-52
• 4.3.3 气囊控制的下位机程序52-54
• 4.3.4 带力限制的电机控制54-55
• 4.4 上位机设计55-57
• 4.4.1 上下位机通讯协议55-56
• 4.4.2 上位机软件设计56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 股骨骨折复位机器人实验58-65
• 5.1 复位力测量实验58-61
• 5.1.1 复位力测量装置58-60
• 5.1.2 实验结果分析60-61
• 5.2 模型复位实验61-64
• 5.2.1 实验装置61-63
• 5.2.2 实验效果分析63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65
• 6.2 展望65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-70

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本文编号：1060158