穿戴式辅助接骨并联机器人系统研究

摘要

近年来随着技术的进步，计算机辅助骨科手术的应用越来越广泛，将计算机、机器人技术引入骨科领域，开发新一代的数字化骨科手术医疗装备，已经成为人们的普遍共识和目标。本课题结合国家自然科学基金项目“穿戴式辅助接骨并联机器人系统建模与控制方法研究”，在传统的正骨理论的基础上，设计了一种面向长肢骨骨折复位手术的穿戴式辅助接骨并联机器人——6-SPT型并联机器人。
　　以典型的Stewart并联机器人构型为基础，借鉴现有的骨外固定架的形式，提出了本文所采用的6-SPT构型。按照骨折整复临床应用要求确定了6-SPT并联接骨机器人的性能指标，并以此对机器人机构进行了参数化处理，提出了考虑机器人工作空间、位置逆解、奇异性、铰链约束、干涉等因素的机构综合流程。
　　与一般的机器人应用不同，医疗机器人作业的对象是人体，人体与机器人构成了复杂的生物机电系统。因此研究了基于人体解剖结构、肌肉运动力学特性等因素与机械特性相结合的非线性的生物机电系统力学模型建模方法，为穿戴式辅助接骨并联机器人的设计提供了理论依据。
　　完成了穿戴式辅助接骨并联机器人的结构设计，该机器人体积小，重量轻，手术时能直接穿戴在人体肢体上，辅助医生完成复位手术操作。该设计同时考虑了断骨固定的方便性和并联机器人支链装配的快速性，充分体现了骨外固定技术和并联机器人相结合的特点。
　　构建了穿戴式辅助接骨并联机器人的控制系统，该控制系统实现了对并联机器人的末端平台基于梯形速度曲线的直线轨迹规划，能平稳、准确地实现手术所需要的复位运动。本文还讨论了控制系统软件故障引起的问题，并给出了相应的对策。
　　最后使用穿戴式辅助接骨并联机器人进行了胫骨光骨骨折复位实验，通过比较各轴规划的轨迹曲线和等效的实际轨迹曲线、观察胫骨骨折处的复位效果验证了穿戴式辅助接骨并联机器人机构设计综合理论和基于梯形速度曲线的轨迹规划方法的正确性。

目录

穿戴式辅助接骨并联机器人系统研究

RESEARCH ON WEARABLEPARALLEL ROBOT SYSTEMFOR BONE-SETTING SURGERY

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 骨外固定器的应用现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 穿戴式并联接骨机器人机构设计综合

2.1 引言

2.2 并联机器人机构形式的选择

2.3 并联机器人机构尺度综合

2.4 机器人位置逆解计算及仿真

2.5 雅克比矩阵计算及奇异性分析

2.6 铰链约束分析

2.7 干涉分析

2.8 本章小结

第3章 生物机电系统建模及仿真

3.1 引言

3.2 生物机电系统力学模型概述

3.3 人体腿部有限元模型

3.3.1 人体腿部有限元模型的建立

3.3.2 人体腿部力位映射的建立

3.4 机器人静力学模型

3.5 生物机电系统力学模型

3.6 生物机电系统力学模型仿真

3.7 本章小结

第4章 机器人轨迹规划及控制系统设计

4.1 引言

4.2 控制系统硬件结构

4.3 并联机器人轨迹规划和运动控制

4.4 并联机器人位置正解

4.5 控制系统软件设计

4.6 软件故障引起的问题及对策

4.7 本章小结

第5章 实验

5.1 引言

5.2 实验介绍

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢