全膝关节置换手术中机器人切骨：系统构建与模拟实验

发布时间：2017-05-10 01:09

  本文关键词：全膝关节置换手术中机器人切骨：系统构建与模拟实验，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类医学理论的不断进步,医疗设备的逐步升级,医疗外科正发生着质的飞跃。另外,随着工业4.0时代的开启,计算机、机器人、物联网等新型技术的运用愈发成熟,正逐渐改变着人们的生活模式。与此同时,医疗外科与计算机,以及机器人完美结合的手术机器人系统也正逐渐进入临床应用,代替或辅助外科医生完成全膝关节置换(TKR)、全髋关节置换(TKA)等一类的复杂外科手术。但诸如DaVinci、 ROBODOC、CASPAR等国外成熟的手术机器人系统,价格昂贵,在我国仍未普及。而国内针对TKR的代表性手术机器人系统WATO-Ⅱ,仍因各方面的技术缘由未真正意义上实现应用。因此,为改善国内的医疗外科现状,本课题得以开展。据悉,成熟的半自主外科手术机器人系统,其基本功能如下：1)手术机器人及其实体控制：2)基于CT图像的三维模型重建；3)基于视觉的定位导航。而本文研究目的即在于实现机器人辅助完成TKR手术中的切骨动作,为后期完整的半自主手术机器人系统打下结实基础,即上述所提到的第一部分功能。针对本课题的具体开展,包括以下几个部分：首先,全膝关节置换术中切骨机器人系统创建。内容如下：1)对TKR手术所涉及的基本概念及其手术过程做简要介绍；2)通过选用合适的机器人、切骨方式,设计可调屈曲切骨支撑装置等完成切骨机器人系统实体环境的构建；3)基于VS2010的C#高级语言编辑,利用机器人的开放的API接口、TCP/IP通讯协议等完成手术机器人上位机控制系统的构建,并就其系统主要功能模块进行了简要介绍。其次,对TKR手术中切骨标定及其轨迹规划展开具体分析。内容如下：1)针对膝盖骨(胫骨、股骨)的标定方式及其具体原理进行剖析；2)结合切骨环境、执行方式、最终目的、效率等多重因素完成膝关节骨各切骨平面的轨迹规划。然后,对高速铣削切骨的稳定性进行分析。内容如下：1)对人骨的基本结构、成分和力学性能进行详细分析；2)分析切削力与切削振动对铣削稳定性的主要影响缘由,再论述产生切削力与切削振动的主要切削参数；3)对这些切削参数展开定量分析,并结合参考文献制定最优数值。最后,结合上述理论分析,展开实验论证。内容如下：1)工件平面(二维、空间平面)的标定实验,并对实验数据展开对比分析；2)蜡烛模拟切骨动作实验；3)假骨模拟切骨动作实验,对实验数据进行具体总结与分析。本文通过详细的理论介绍以及具体的实验分析,充分验证了其研究内容,即本文所论及的标定与切骨方式,以及所构建的切骨机器人系统具备切实有效的可执行性。
【关键词】：TKR 工件标定 机器人姿态 轨迹规划 铣削稳定性
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;R687.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 引言14
• 1.2 研究背景与现状14-20
• 1.3 本文研究内容20-21
• 1.4 本章小结21-22
• 第二章 全膝关节置换术中切骨机器人系统22-38
• 2.1 引言22
• 2.2 全膝关节置换(TKR)手术简介22-29
• 2.2.1 下肢力线23-24
• 2.2.2 膝关节假体24
• 2.2.3 手术过程24-29
• 2.3 TKR手术中切骨机器人系统构建29-36
• 2.3.1 概念及要求29
• 2.3.2 机器人的选择29-30
• 2.3.3 末端执行器的选择30-31
• 2.3.4 可调屈曲切骨支撑装置的设计31-34
• 2.3.5 机器人上位机控制系统构建34-36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 切骨标定及其轨迹规划38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 膝关节骨的标定38-44
• 3.2.1 概念及要求38
• 3.2.2 胫骨标定38-42
• 3.2.3 股骨标定42-44
• 3.3 膝关节切骨轨迹规划44-49
• 3.3.1 概念及要求44
• 3.3.2 胫骨切骨轨迹规划44-47
• 3.3.3 股骨切骨轨迹规划47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 高速铣削切骨的稳定性分析50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 人骨的力学性能分析50-52
• 4.2.1 骨的材质特性50
• 4.2.2 骨的结构和成分50-51
• 4.2.3 骨材质的力学特性51-52
• 4.3 骨铣削稳定性分析52-57
• 4.3.1 骨铣削过程52-53
• 4.3.2 主要影响因素53
• 4.3.3 骨切削力的综合分析53-55
• 4.3.4 骨切削振动的综合分析55-57
• 4.4 切削参数的优化选择57-61
• 4.4.1 最优稳定区57-58
• 4.4.2 径向切削深度的优化58-60
• 4.4.3 轴向切削深度的优化60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 实验与分析62-72
• 5.1 引言62
• 5.2 实验内容62-71
• 5.2.1 标定实验与分析62-65
• 5.2.2 蜡烛实验65
• 5.2.3 假骨实验与分析65-71
• 5.3 本章小结71-72
• 总结与展望72-74
• 参考文献74-79
• 致谢79

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 文宇;熊力;苗雄鹰;;机器人外科医生的培训[J];中国微创外科杂志;2013年04期

2 杨明;;机器人冠状动脉旁路移植术研究进展[J];中南大学学报(医学版);2013年10期

3 倪俊瑜;;下肢康复训练机器人[J];中国伤残医学;2011年01期

4 王志强;姜洪源;Roman Kamnik;;辅助起立机器人轨迹追踪仿真及试验研究[J];医用生物力学;2013年02期

5 高志强;;机器人辅助微创外科手术在耳鼻咽喉头颈外科的发展[J];中国眼耳鼻喉科杂志;2008年01期

6 于建新;;准确调控的机器人用于脑手术定位[J];国外医学情报;1995年23期

7 贾博;田增民;卢旺盛;刘达;;遥操作血管介入机器人的实验研究[J];中国微侵袭神经外科杂志;2012年05期

8 费保蔚,庄天戈;医用机器人与计算机辅助外科手术的进展和应用[J];北京生物医学工程;1998年01期

9 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 杨朝虹;张海珠;;机器人技术的应用与发展[A];先进制造技术论坛暨第五届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2006年

2 王明辉;王楠;李斌;;面向灾难救援的机器人控制站系统设计[A];中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议论文集[C];2010年

3 郭戈;王燕;王伟;;一种多机器人协作方法[A];第二十届中国控制会议论文集（下）[C];2001年

4 崔世钢;邴志刚;彭商贤;王玉东;;基于远程脑概念的服务机器人开发平台的设计与研究[A];先进制造技术论坛暨第二届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2003年

5 杨莹;丁X;许侃;;国际机器人科学知识前沿演化的可视化分析[A];科学学理论与科学计量学探索——全国科学技术学暨科学学理论与学科建设2008年联合年会论文集[C];2008年

6 唐矫燕;赵群飞;黄杰;杨汝清;;基于两足步行椅机器人的人在环中的助残机器人控制系统[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

7 薛颂东;曾建潮;杜静;;具运动学特性约束的群机器人目标搜索[A];2009中国控制与决策会议论文集（2）[C];2009年

8 张国伟;李斌;龚海里;王聪;郑怀兵;;废墟洞穴搜救机器人控制软件设计与实现[A];中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议论文集[C];2010年

9 崔世钢;方景林;刘嘉q;彭商贤;邴志刚;;服务机器人开发中测控问题的研究[A];中国仪器仪表学会第五届青年学术会议论文集[C];2003年

10 吴国盛;李云霞;李骊;;一种基于极坐标系下的机器人动态避碰算法[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 冬冬;看看自动化机器人在包装业中能起多大作用[N];中国包装报;2005年

2 莽九晨　周之然;有感“机器人道德法”[N];人民日报;2007年

3 记者 陈琳;机器人总动员[N];第一财经日报;2010年

4 记者 孙亚斐;千余支队伍携机器人亮相金城[N];兰州日报;2011年

5 崔鑫;机器人也能和您一起下厨[N];北京科技报;2012年

6 特约记者 杨保国;中国科大“蓝鹰”称雄机器人世界杯[N];大众科技报;2007年

7 本报记者　 陈淑娟;机器人走近生活[N];计算机世界;2006年

8 虎虎;科学好玩（三）[N];四川科技报;2007年

9 孙潜彤;新松公司：在机器人研发领域显身手[N];经济日报;2008年

10 财宣邋Q孟推

本文编号：353692