基于3-RPS并联机构的微创脊柱手术导引设备稳健优化设计

摘要

在脊柱手术中，椎弓根植钉手术需要对脊柱进行钻孔，由于毗邻神经根和脊髓，尤其是在颈部寰枢椎手术，紧邻呼吸系统和循环中枢，稍有不慎就会造成脊髓或延髓的损伤，因此对脊柱手术的高要求、高精准度，使得机器人在手术中的应用迫在眉睫。本文以3-RPS并联机构为基础，研发出一款微创脊柱手术导引器。对微创手术导引器的主体3-RPS并联机构进行机构分析;通过对稳健优化算法的研究，考虑3-RPS并联机构的运动学和动力学性能，利用遗传算法对3-RPS并联机构进行结构参数的优化设计。
　　 本文根据脊柱手术的具体要求，结合并联机构特点，提出了一种基于3-RPS并联机构的新型微创手术导引器，利用封闭矢量法对该机构的运动学逆解分析并给出求解方法;分析评价了四种不同工作空间并给出求解算法;对3-RPS并联机构运动学分析的基础上求解了雅可比矩阵，提出了两种对机构灵活度分析的指标函数。
　　 利用商用有限元软件AnsysWorkbench对并联机构进行动力学分析。利用SolidWorks三维实体建模软件建立3-RPS并联机构的实体模型，导入到有限元软件AnsysWorkbench中，通过对铰链的有限元处理，对3-RPS并联机构进行动力学模型的模态分析，得出了该模型的固有频率和振型。
　　 提出一种新型的稳健优化设计方法。通过Boxbehken的实验设计，并利用有限元软件AnsysWorkbench生成了初始实验样本点。通过最小二乘法，拟合了3-RPS并联机构的单响应动力学数学模型。采用Kriging插值、神经网络加强法来产生新的样本点的方法进行稳健优化设计。最后利用遗传算法对含有运动学、动力学指标的目标函数进行了多目标优化。
　　 以3-RPS并联机构为基础，提出了微创手术导引器的构型方案，对机械结构设计及控制系统设计，开发了微创脊柱手术导引器的原型样机。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．3 国内外研究现状及分析

1．3．1 并联机器人发展动态分析

1．3．2 手术机器人发展动态分析

1．4 本论文主要研究内容

第2章 微创脊柱手术导引设备构型设计及运动学分析

2．1 引言

2．2 微创脊柱手术导引器的构型设计

2．3 3-RPS并联机构的运动学逆解

2．4 3-RPS并联机构雅可比矩阵的求解

2．5 3-RPS并联机构灵活度的求解

2．5．1 雅可比矩阵条件数

2．5．2 机器人的可操作度

2．6 3-RPS并联机构工作空间的求解

2．7 本章小结

第3章 3-RPS并联机构的动力学分析及有限元分析

3．1 并联机构的动力学分析介绍

3．2 3-RPS并联机构的动力学分析

3．3 3-RPS并联机构的有限元建模

3．4 3-RPS并联机构的有限分析

3．5 本章小结

第4章 3-RPS并联机构的稳健优化设计

4．1 稳健优化设计介绍

4．2 3-RPS并联机构优化的实验设计

4．3 基于多项式的响应面法

4．4 Kriging插值法

4．5 神经网络加强法

4．6 多目标优化

4．7 动力学指标函数

4．8 3-RPS并联机构的稳健优化设计

4．8．1 设计变量

4．8．2 目标函数

4．8．3 约束条件

4．8．4 基于运动学、动力学的多目标优化结果

4．9 本章小结

第5章 微创脊柱手术导引设备控制及实验

5．1 手术流程规划

5．2 控制界面的设计

5．2．1 Qt简介

5．2．2 Visual Studio简介

5．2．3 控制界面的设计

5．3 CAN总线控制

5．3．1 CAN总线简介

5．3．2 微创手术导引器控制架构

5．4 微创脊柱手术导引器实验

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果