应用于脑外科的同心管手术机器人研究

发布时间：2017-04-20 03:16

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【摘要】：随着生活水平的提高和人口老龄化进程的加剧,高血压患者数量正在快速递增,脑血管病造成危害也将日趋严重,由此引发的各种脑部疾病对脑外科这个医学中最年轻,最复杂的一门学科带来了严重的考验。以前由于技术的限制,人的脑部手术可以说是一个禁区,随着新材料、传感器和控制理论等相关技术和理论的发展,高安全、高精度、高稳定的手术机器人系统已成为脑外科手术发展的必然趋势。本文提出了一种总长度35cm,直径10cm,总重量2.15kg的便携式同心管手术机器人。同心管具有类似针状的大小,预弯曲的形状,和高灵活性的特点。通过相互配合的预弯曲管的转动和移动,在同心管之间的曲率相互作用下机器人末端位置和方向以及沿着其长度方向的形状可以控制。在这种方法中,柔性同心管组成了机器人的链接和关节。手术中的末端执行器连接到管的末端,机器人自身形成一个细长的曲线,这种形状非常适合脑外科微创手术。同心管手术机器人技术的研究不但能够推进传统医疗技术的革新,也可对相关的医疗机器人技术的发展产生积极地促进作用,具有重要的理论研究意义。本文首先分析了机器人的工作空间及自由度,重点的介绍了机器人的结构设计,在此基础上加工出了一个四自由度的同心管机器人原型;其次本文提出了使用一个触觉输入设备对机器人进行三位空间的控制,对机器人进行运动学分析,基于李群理论得到其曲率方程及正逆运动学方程,建立了遥操作算法并通过程序实现;最后,本文完成了机器人实验平台的搭建,进行相关验证性实验检验模型精度。实验结果显示,同心管机器人的跟随精度大约为2mm,在响应速度约为0.1s。此外还进行了临床试验验证同心管机器人的可行性与有效性。证明该机器人有提高脑外科临床手术的希望。
【关键词】：同心管机器人 手术机器人 结构设计 运动学
【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】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题来源及研究目的和意义8-10
• 1.1.1 课题来源及研究目的8-9
• 1.1.2 课题的研究的意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 连续型机器人国外研究现状10-12
• 1.2.2 连续型机器人国内研究现状12-13
• 1.3 国内外研究现状综述13-14
• 1.4 本课题研究的主要内容14-16
• 第2章 同心管手术机器人原型结构设计16-37
• 2.1 引言16-18
• 2.2 同心管机器人设计中的挑战18-19
• 2.3 同心管手术机器人同心管的设计19-23
• 2.3.1 同心管的设计原则19-21
• 2.3.2 同心管的材料和曲率21-22
• 2.3.3 同心管机器人的自由度22-23
• 2.4 同心管手术机器人工作空间分析及同心管尺寸选择23-27
• 2.4.1 同心管机器人手术空间分析23-24
• 2.4.2 同心管机器人工作空间分析24-26
• 2.4.3 同心管机器人同心管直径选择26-27
• 2.5 同心管手术机器人结构设计27-36
• 2.5.1 同心管手术机器人设计壳体部分29-31
• 2.5.2 同心管手术机器人设计同心管驱动部分31-34
• 2.5.3 同心管手术机器人支撑部分34-35
• 2.5.4 同心管手术机器人末端执行机构设计35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 同心管手术机器人运动学分析37-47
• 3.1 引言37-38
• 3.2 同心管手术机器人坐标系建立38-39
• 3.3 同心管手术机器人曲率模型建立39-41
• 3.4 同心管手术机器人运动学模型建立及遥操作算法41-46
• 3.4.1 同心管手术机器人正向运动学模型建立41-44
• 3.4.2 同心管手术机器人逆向运动学模型建立44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 同心管机器人控制系统搭建及实验验证47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 控制系统组成47-48
• 4.3 控制系统元器件选择48-51
• 4.3.1 电机及编码器的选择48-50
• 4.3.2 伺服驱动器及运动控制卡的选择50-51
• 4.4 同心管手术机器人控制平台搭建51-53
• 4.5 同心管手术机器人遥操作验证实验53-56
• 4.6 同心管手术机器人应用于脑外科的临床验证实验56-58
• 4.7 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 致谢65

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本文编号：317792