机器人辅助人工颈椎间盘置换手术磨削规划研究

摘要

人工颈椎间盘置换术在治疗颈椎病方面具有明显优势，但普及范围并不广泛，这主要是由于人工颈椎间盘置换手术复杂、操作困难，特别是对于骨骼终板磨削的精度要求高。课题结合国家863计划项目“机器人辅助人工颈椎间盘置换手术系统研究”，通过构建手术磨削规划系统，实现由并联机器人操作磨削刀具，完成手术中医生对骨配合面的磨削操作。由此，可以大大提高磨削精度和置换手术质量，并减少由于人为因素带来的手术风险。
　　在分析人工颈椎间盘置换手术特点的基础上，为了提高机器人手术精度和可操作性，确定了机器人辅助手术磨削规划系统的功能需求。设计了磨削规划软件平台，实现初始化、机器人反馈、对刀规划以及磨削功能，最后将生成的机器人位置、速度信息，通过RS232通讯程序发送至电机控制驱动器，由机器人完成磨削操作。
　　首先对磨削轨迹规划生成的空间直线与平面圆弧进行插补，并将所得到的刀具中心点轨迹转化为并联机器人动平台中心点轨迹，并针对其进行并联机器人逆解以获得各支链的长度值。为提高机器人的定位精度，采用光学定位器和最小二乘法对机器人进行标定，并利用标定结果对逆解进行补偿。为能够得到术中机器人末端刀具中心点的位置反馈，提出了一种Stewart机构的正解算法，将各支链长度值作为正解的输入，并输出并联机器人末端刀具中心点位置。
　　为了实现磨削规划的各项功能，在分析各种颈椎间盘假体的基础上，设计了一种模块化、参数化的磨削规划方案。这种方案利用导航对刀规划获取了病人骨骼的信息，同时通过选择不同的磨削模块即可能够适应多种颈椎间盘假体，改变磨削模块参数即可适应不同尺寸型号的假体。以Bryan人工假体作为对象设计了平面与曲面磨削模块，得到了相应的磨削轨迹，并进行了轨迹实验验证。
　　最后，为对磨削规划进行评价，以Bryan假体为原型设计了一种颈椎植入物，并与医生研究得出了机器人辅助人工颈椎间盘置换术的医学影像评价标准，以羊骨为实验对象进行了置换手术，将所设计颈椎植入物植入羊骨，并依照评价标准对术后X光进行了评价。

目录

机器人辅助人工颈椎间盘置换手术磨削规划研究

机器人辅助人工颈椎间盘置换手术磨削规划研究

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题来源及意义

1.2 人工颈椎间盘置换手术介绍

1.3 机器人辅助矫形外科手术系统的发展现状

1.4 计算机辅助手术规划系统发展现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 磨削规划系统总体设计

2.1 引言

2.2 机器人辅助人工颈椎间盘手术功能需求分析

2.3 磨削规划系统硬件介绍

2.4 磨削规划软件平台的设计

2.5 机器人辅助手术磨削流程

2.6 本章小结

第3章 并联机器人运动学分析与标定

3.1 引言

3.2 并联机器人运动控制方案

3.3 刀具中心运动轨迹插补

3.4 6-UPS 型并联机器人逆运动学求解

3.5 并联机器人运动学标定

3.6 基于多目标优化遗传算法的STEWART 正解算法

3.7 机器人运动实验

3.8 本章小结

第4章 磨削轨迹规划研究

4.1 引言

4.2 磨削轨迹规划总体方案

4.3 对刀规划

4.4 参数化磨削

4.5 本章小结

第5章 机器人辅助人工颈椎间盘手术实验

5.1 引言

5.2 颈椎植入对象的设计

5.3 磨削评价标准

5.4 实验方案及流程

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢