面向放射治疗的6-DOF并联放疗床研制

发布时间：2017-05-16 09:03

  本文关键词：面向放射治疗的6-DOF并联放疗床研制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：肿瘤是危害人类健康的主要疾病之一。随着国内外在放疗领域研究的快速发展,目前绝大部分肿瘤采用放射疗法。常规放疗床在复现患者拍摄CT体位时,部分空间自由度受到限制,且定位精度普遍不高,影响精确放疗的实现。为此,本课题利用并联机构的优点,将其与放疗床实际需求结合,提出一种并联结构形式的放疗床,弥补常规放疗床的不足,来达到精确放射治疗的目的。首先,根据放疗床在实际使用过程中对工作空间和结构本身外形尺寸的要求,确定平行导轨式的6-HTRT构型作为放疗床模型。对放疗床进行运动学研究,得到放疗床位姿逆解表达式。结合运动学逆解约束条件,对双端虎克铰形式的并联放疗床进行工作空间的精确分析,得到零姿态和各极限姿态下放疗床的工作空间,并得到工作空间随各结构参数的变化规律,为放疗床的参数优化提供依据。针对放疗床在工作过程中承受偏心载荷导致各杆件受力增大的问题,进行了确定位姿下连杆受力和丝杠输入力的分析,并在ADAMS进行了仿真验证。所得结果指导具体零件的设计和电机等外购件的选取。针对提高虎克铰强度及刚度问题,提出了一种虎克铰初始安装角度优化方法,在满足工作空间的条件下,可以有效减小虎克铰的转角极限,进而减小虎克铰尺寸;针对放疗床的使用要求,提出一种多目标协调的机构参数优化方法,考虑工作空间、放疗床受力、雅可比矩阵条件数,以及构建关于条件数全域均值、条件数波动情况的目标函数,进行参数的具体优化,最终得到了放疗床各结构参数,使得放疗床的雅可比矩阵条件数在工作空间内较小且分布均匀。其次,为得到影响放疗床位置和姿态误差的主要因素,采用闭环矢量法建立了基于运动学逆解的误差模型,对其进行全微分得到放疗床的位姿误差与这些主要影响因素之间的关系,并分析得到对放疗床位置和姿态误差影响较大的敏感参数,以及放疗床位置和姿态的误差敏感方向。所得分析结果指导各零件的设计精度和装配精度,为建立标定模型时应考虑的主要因素提供理论依据。最后,根据上述理论分析,完成了放疗床的系统集成,研制成功了放疗床实验样机。为提高放疗床的绝对定位精度,对放疗床进行了运动学标定。基于运动学逆解建立了放疗床的标定模型。针对结构参数辨识问题,提出了一种遗传算法与最小最大优化方法相结合的参数辨识方法,结合两种方法的优点进行参数辨识,可以有效减小目标函数的残差。以误差传递雅可比矩阵条件数作为选取空间标定位姿点的依据,选取出26组空间位姿点。针对动平台位姿获取问题,提出了基于矩阵奇异值分解的放疗床位置和姿态获取方法,并以激光跟踪仪作为测量工具。通过对若干组任意位姿进行实验,结果表明经过标定后放疗床的绝对定位精度得到了很大提高,在复现患者拍摄CT体位时能够实现6个自由度的精确摆位,满足精确放疗所需放疗床应具备的性能。
【关键词】：放射治疗床 工作空间 参数优化 误差分析 运动学标定
【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】：2015
【分类号】：R730.55;TH77
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题背景及研究目的11-12
• 1.2 放疗床国内外研究现状12-14
• 1.3 6-DOF并联放疗床的研究意义和关键技术分析14-15
• 1.4 并联机构关键技术国内外研究现状15-18
• 1.4.1 并联机构机构综合国内外研究现状15-16
• 1.4.2 并联机构工作空间分析国内外研究现状16-17
• 1.4.3 并联机构误差分析与标定国内外研究现状17-18
• 1.5 本文主要研究内容18-21
• 第2章 放疗床运动学研究及工作空间分析21-38
• 2.1 引言21
• 2.2 放疗床结构类型的选择21-24
• 2.2.1 六自由度并联平台结构类型21-22
• 2.2.2 放疗床结构构型确定22-24
• 2.3 放疗床运动学研究24-28
• 2.3.1 坐标系建立及铰点位置分析24-26
• 2.3.2 放疗床位姿逆解求解26-27
• 2.3.3 放疗床雅可比矩阵求解27-28
• 2.4 放疗床工作空间分析28-37
• 2.4.1 影响工作空间的主要结构参数28-29
• 2.4.2 放疗床逆解约束条件29-34
• 2.4.3 放疗床工作空间仿真分析34-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第3章 放疗床多目标协调机构参数优化及系统集成38-53
• 3.1 引言38
• 3.2 不考虑重力下单个连杆静力学分析38-42
• 3.2.1 连杆受力的力学模型38-39
• 3.2.2 连杆拉压力和稳态下丝杠输入力求解39-40
• 3.2.3 放疗床静力学仿真40-42
• 3.3 放疗床多目标协调机构参数优化42-49
• 3.3.1 虎克铰初始安装角度优化43-45
• 3.3.2 放疗床几何参数初步优化45-47
• 3.3.3 放疗床几何参数最终确定47-48
• 3.3.4 放疗床工作空间截面内雅可比矩阵条件数分布48-49
• 3.4 放疗床系统集成49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 放疗床误差分析53-66
• 4.1 引言53
• 4.2 基于运动学逆解的误差建模53-56
• 4.3 单支链存在误差时的误差分析56-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 放疗床运动学标定及实验研究66-81
• 5.1 引言66
• 5.2 标定模型的建立66-67
• 5.2.1 测量方法和待标定参数的选取66
• 5.2.2 基于运动学逆解的标定模型建立66-67
• 5.3 参数辨识方法研究及误差补偿模型建立67-70
• 5.3.1 遗传算法与最小最大优化法相结合的参数辨识方法67-69
• 5.3.2 误差补偿模型建立69-70
• 5.4 测量基准建立及动平台位姿获取方法研究70-73
• 5.4.1 测量基准的建立70-72
• 5.4.2 基于矩阵奇异值分解的动平台位姿获取方法研究72-73
• 5.5 实际测量及参数求解73-77
• 5.5.1 基于误差传递雅可比矩阵条件数的放疗床标定位姿选取73-75
• 5.5.2 标定位姿实际测量值75-77
• 5.5.3 标定参数求解77
• 5.6 标定结果验证77-79
• 5.6.1 空间位姿点定位精度验证78-79
• 5.6.2 放疗床重复性位置精度测量79
• 5.7 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-87
• 附录A87-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果91-93
• 致谢93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：370382