穿刺消融手术机器人系统开发与控制方法研究

发布时间：2021-04-16 08:11

　　微创穿刺消融手术是一种利用微波热效应来治疗肺部肿瘤的安全有效方案。目前的穿刺手术缺乏实时的穿刺针路径引导,医生只能凭借术前规划以及自身高超的技术来实施手术,难度较高,同时对于肺部来说容易引起气胸等并发症,不可多次进针。因此,在穿刺消融手术中引入机器人来辅助医生手术,可以实现术中穿刺针的实时引导,极大的提高手术精度,增加手术成功率,具有重大的研究价值。本文设计了一套能方便医生遥操作的穿刺消融手术机器人系统,并对相关的辅助功能进行了开发研究,其主要内容包括以下几个部分:1)穿刺消融手术机器人的平台搭建机器人系统平台包括机械结构平台和电气控制系统两部分,其中机械结构平台根据手术任务解耦的思想,分为了后端移动平台、前端旋转关节、末端进针机构以及腕部六维力测量模块。2)双侧影像下的穿刺针轨迹规划本文首先对穿刺机器人系统做了正逆运动学分析,列出了D-H连杆参数表,然后在此基础上详细分析了手术过程中使用的双X光影像环境的特殊性,完成了在双X射线影像和远端中心运动（RCM）的双重约束下的穿刺针轨迹规划。3)零力随动系统的开发通过对六维力传感器在机器人各位姿下的重力补偿,实现了在较小接触力作用下的跟随运... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 穿刺机器人系统的发展现状
        1.2.1 国外穿刺机器人的发展现状
        1.2.2 国内穿刺机器人的发展现状
    1.3 本文的主要研究内容
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 研究内容
2 穿刺机器人的系统设计
    2.1 穿刺消融手术机器人设计要求
    2.2 穿刺机器人的平台搭建
        2.1.1 后端移动平台
        2.1.2 前端旋转关节
        2.1.3 末端进针机构
        2.1.4 腕部六维力测量模块
    2.3 电气控制系统设计
    2.4 本章小结
3 穿刺针轨迹规划与穿刺实验
    3.1 机构运动学分析
        3.1.1 正运动学分析
        3.1.2 逆运动学分析
        3.1.3 工作空间验证
    3.2 双影像下的穿刺针轨迹规划
    3.3 穿刺力模型验证
        3.3.1 穿刺力模型介绍
        3.3.2 实验验证
    3.4 本章小结
4 穿刺机器人零力跟随系统的开发
    4.1 六维力传感器负载重力补偿
        4.1.1 六维力传感器的解耦运算
        4.1.2 负载参数辨识
        4.1.3 重力补偿及测试结果
        4.1.4 进针过程中的重力补偿算法
    4.2 大范围柔顺控制
        4.2.1 基于微分跟踪器的PD控制
        4.2.2 阻抗控制
        4.2.3 效果验证
    4.3 呼吸跟随系统的研究
        4.3.1 呼吸模型的构建
        4.3.2 呼吸随动系统平台
        4.3.3 基于六维力传感器的呼吸跟随系统
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
硕士学位期间取得的科研成果
参考文献
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Remebot无框架脑立体定向手术系统的临床应用研究[J]. 刘钰鹏,田增民,惠瑞,刘清,李红玉.  中华外科杂志. 2016 (05)
[2]末端F/T传感器的重力环境下大范围柔顺控制方法[J]. 张光辉,王耀南.  智能系统学报. 2015(05)
[3]微分跟踪器的研究与应用[J]. 张海丽,张宏立.  化工自动化及仪表. 2013(04)
[4]计算机辅助外科技术的应用与发展[J]. 黄华文.  中国医疗器械信息. 2007(01)

博士论文
[1]颅颌面穿刺诊疗手术机器人关键技术研究[D]. 孔祥战.北京理工大学 2015

硕士论文
[1]基于EtherCAT工业以太网协议主从站设计[D]. 杨勇军.湘潭大学 2017
[2]穿刺手术机器人系统设计与控制方法研究[D]. 徐翔.浙江大学 2017
[3]柔性针穿刺软组织的力学建模及变形测量[D]. 宿志亮.天津大学 2014
[4]经皮穿刺手术辅助机器人系统研究[D]. 修雯雯.哈尔滨工业大学 2007
[5]基于阻抗控制的机器人柔顺性控制方法研究[D]. 杨振.东南大学 2005



本文编号：3141069