具有位姿解耦功能的穿刺手术机械臂系统设计与力摆位研究
发布时间：2021-01-13 20:37
采用穿刺手术进行组织活检与肿瘤消融是一种比较常见的诊疗方案,传统穿刺手术需要医生手动进行,在多点穿刺的情况下,工作强度大且容易疲劳。机器人辅助穿刺手术具有能够提高穿刺精度,降低医生的劳动强度等诸多优点。实际上医疗机器人也是一种人机协作机器人,因此使机械臂具有力摆位拖拽功能是医疗机器人中比较必要的选择。本文结合穿刺手术的特点设计了一款结构上具有位姿解耦特点同时具有力摆位拖拽功能的穿刺手术机械臂系统。首先分析了位姿解耦的结构设计方案,将机械臂分为臂部和腕部两部分,臂部主要完成位置确定,腕部主要完成姿态确定。采用经典的D-H法建立机械臂的运动学方程,获得逆运动学解析解,给出了机械臂的工作空间,计算了机械臂的雅可比矩阵,分析了机械臂的静力学。通过引入广义变量解决由解耦机构带来的关节数多于自由度数的问题,在机械臂建模过程中对各部分原理依据广义变量均进行一定程度的修正。章节的最后通过Matlab/Robotics Tool Box仿真工具进行仿真验证。其次完成机械臂的加工装配以及控制系统的软硬件搭建,控制系统采用倍福Twin CAT3自动化控制软件。建立机械臂控制系统的状态机,分析了伺服控制原理,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MRI兼容穿刺机器人系统
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-术机器人[9]，如图1-3，该机器人末端安装了六维力/力矩传感器，用于检测穿刺手术中的接触力。机器人采用3自由度笛卡尔移动平台进行接近定位，穿刺操作由额外4个自由度参与，包含2自由度的RCM机构。其XYZ移动精度可达2μm，末端穿刺精度可达5μm。该机器人完成了生物学实验，可实现直径80μm的静脉插管操作。接下来该实验室由对其进行改进得到EyeRoBot2[10]和EyeRoBot2.1[11]，如图1-4。新改进的机器人穿刺针俯仰角达到了60，而第一代仅为30，并且对人机交互性进行了优化。图1-3AMIRo的眼部手术机器人a）EyeRoBot2b）EyeRoBot2.1图1-4AMIRo的EyeRobot2澳大利亚的ARCSeibersdorf机器人实验室设计了一款基于超声导航的组织活检穿刺机器人B-Robot-I[12]。如图1-5，整个系统具有7个自由度，包含4个粗定位自由度和3个精定位自由度。粗定位机构包含笛卡尔坐标系提供的3个直线自由度和1个旋转自由度，精定位为机构为3自由度的NPU机构，系统最终的定位精度为1.48mm±0.62mm。手术机器人导航方面主要由CT，超声和MRI等几种，为了兼容MRI和CT，穿刺机器人通常会采用非常规的驱动方式，比如气动，超声电机驱动等。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-同时为了方便在MRI和CT室内进行手术，穿刺机器人还会采用可以安装在病人身上的小型结构。图1-5ARCSeibersdorf机器人实验室的B-Robot-I法国的TIMC-IMAG实验室2016年设计了一款CT和MRI兼容的LPR[13]穿刺机器人，如图1-6。该机器人拥有5个自由度，采用全气动的驱动方式，小型化的结构能够跨在病人的躯干上做一些胸部和腹部的穿刺手术。同样美国国家儿童健康中心在2018年也设计了一款MRI兼容的可以安装在病人身上的穿刺机器人[14]，该机器人用来给肩部骨折的儿童做手术，如图1-7。该机器人更加小型化，采用超声电机驱动，同样采用2个自由度来确定位置，2自由度的RCM机构保证姿态。缺陷是其RCM机构的远心点与皮肤之间有一定的距离，并非完全贴合。图1-6TIMC-IMAG实验室的LPR图1-7美国国家儿童健康中心的肩部穿刺机器人国内穿刺手术机器人相对国外起步较晚，但是发展较块，有的已经完成了
【参考文献】：
期刊论文
[1]北京某医院1999年至2013年肾癌患者构成和变化分析[J]. 李纪宾,林华,钟雪梅,陈舒兰,李丽,周珊珊,邹小农. 中国肿瘤临床与康复. 2019(06)
[2]Remebot机器人辅助下立体定向脑组织活检术的护理配合[J]. 吴黎琨,张敏慧,崔姣,吴世强,舒凯,赵体玉. 护理学杂志. 2018(02)
[3]面向微创外科手术机械臂的主动力摆位控制策略[J]. 王伟,杜志江,闫志远,王伟东. 哈尔滨工程大学学报. 2017(12)
[4]面向直接示教的机器人负载自适应零力控制[J]. 侯澈,王争,赵忆文,宋国立. 机器人. 2017(04)
[5]基于有限状态机的优化电梯控制算法的设计和实现[J]. 覃园芳. 科技创新与应用. 2016(17)
[6]机器人辅助针穿刺技术[J]. 赵新刚,杨唐文,韩建达,徐卫良. 科学通报. 2013(S2)
[7]面向直接示教的机器人零力控制[J]. 游有鹏,张宇,李成刚. 机械工程学报. 2014(03)
[8]前列腺穿刺方法研究进展[J]. 杨飞,周祥福. 中华腔镜泌尿外科杂志(电子版). 2009(06)
[9]基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真[J]. 蔡蒂,谢存禧,张铁,邹焱飚. 机械设计与制造. 2009(03)
[10]双平行四杆型远程运动中心机构的设计[J]. 宗光华,裴旭,于靖军,毕树生,孙明磊. 机械工程学报. 2007(12)
博士论文
[1]基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究[D]. 孙银山.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]平行连杆式穿刺手术机器人研究[D]. 刘润田.北京工业大学 2017
[2]脊柱手术机器人力摆位及磨削力控制研究[D]. 毛大超.哈尔滨工业大学 2017
[3]1P2R前列腺活检机器人结构设计及仿真[D]. 王晓飞.哈尔滨理工大学 2014
本文编号：2975526
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MRI兼容穿刺机器人系统
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-术机器人[9]，如图1-3，该机器人末端安装了六维力/力矩传感器，用于检测穿刺手术中的接触力。机器人采用3自由度笛卡尔移动平台进行接近定位，穿刺操作由额外4个自由度参与，包含2自由度的RCM机构。其XYZ移动精度可达2μm，末端穿刺精度可达5μm。该机器人完成了生物学实验，可实现直径80μm的静脉插管操作。接下来该实验室由对其进行改进得到EyeRoBot2[10]和EyeRoBot2.1[11]，如图1-4。新改进的机器人穿刺针俯仰角达到了60，而第一代仅为30，并且对人机交互性进行了优化。图1-3AMIRo的眼部手术机器人a）EyeRoBot2b）EyeRoBot2.1图1-4AMIRo的EyeRobot2澳大利亚的ARCSeibersdorf机器人实验室设计了一款基于超声导航的组织活检穿刺机器人B-Robot-I[12]。如图1-5，整个系统具有7个自由度，包含4个粗定位自由度和3个精定位自由度。粗定位机构包含笛卡尔坐标系提供的3个直线自由度和1个旋转自由度，精定位为机构为3自由度的NPU机构，系统最终的定位精度为1.48mm±0.62mm。手术机器人导航方面主要由CT，超声和MRI等几种，为了兼容MRI和CT，穿刺机器人通常会采用非常规的驱动方式，比如气动，超声电机驱动等。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-同时为了方便在MRI和CT室内进行手术，穿刺机器人还会采用可以安装在病人身上的小型结构。图1-5ARCSeibersdorf机器人实验室的B-Robot-I法国的TIMC-IMAG实验室2016年设计了一款CT和MRI兼容的LPR[13]穿刺机器人，如图1-6。该机器人拥有5个自由度，采用全气动的驱动方式，小型化的结构能够跨在病人的躯干上做一些胸部和腹部的穿刺手术。同样美国国家儿童健康中心在2018年也设计了一款MRI兼容的可以安装在病人身上的穿刺机器人[14]，该机器人用来给肩部骨折的儿童做手术，如图1-7。该机器人更加小型化，采用超声电机驱动，同样采用2个自由度来确定位置，2自由度的RCM机构保证姿态。缺陷是其RCM机构的远心点与皮肤之间有一定的距离，并非完全贴合。图1-6TIMC-IMAG实验室的LPR图1-7美国国家儿童健康中心的肩部穿刺机器人国内穿刺手术机器人相对国外起步较晚，但是发展较块，有的已经完成了
【参考文献】：
期刊论文
[1]北京某医院1999年至2013年肾癌患者构成和变化分析[J]. 李纪宾,林华,钟雪梅,陈舒兰,李丽,周珊珊,邹小农. 中国肿瘤临床与康复. 2019(06)
[2]Remebot机器人辅助下立体定向脑组织活检术的护理配合[J]. 吴黎琨,张敏慧,崔姣,吴世强,舒凯,赵体玉. 护理学杂志. 2018(02)
[3]面向微创外科手术机械臂的主动力摆位控制策略[J]. 王伟,杜志江,闫志远,王伟东. 哈尔滨工程大学学报. 2017(12)
[4]面向直接示教的机器人负载自适应零力控制[J]. 侯澈,王争,赵忆文,宋国立. 机器人. 2017(04)
[5]基于有限状态机的优化电梯控制算法的设计和实现[J]. 覃园芳. 科技创新与应用. 2016(17)
[6]机器人辅助针穿刺技术[J]. 赵新刚,杨唐文,韩建达,徐卫良. 科学通报. 2013(S2)
[7]面向直接示教的机器人零力控制[J]. 游有鹏,张宇,李成刚. 机械工程学报. 2014(03)
[8]前列腺穿刺方法研究进展[J]. 杨飞,周祥福. 中华腔镜泌尿外科杂志(电子版). 2009(06)
[9]基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真[J]. 蔡蒂,谢存禧,张铁,邹焱飚. 机械设计与制造. 2009(03)
[10]双平行四杆型远程运动中心机构的设计[J]. 宗光华,裴旭,于靖军,毕树生,孙明磊. 机械工程学报. 2007(12)
博士论文
[1]基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究[D]. 孙银山.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]平行连杆式穿刺手术机器人研究[D]. 刘润田.北京工业大学 2017
[2]脊柱手术机器人力摆位及磨削力控制研究[D]. 毛大超.哈尔滨工业大学 2017
[3]1P2R前列腺活检机器人结构设计及仿真[D]. 王晓飞.哈尔滨理工大学 2014
本文编号：2975526
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