基于触须传感器的心脏跳动位移仿真研究

摘要

在机器人辅助心脏手术中，心跳会影响外科医生准确捕获手术目标点。为了实时测量心跳位移，消除手术器械和心脏表面手术部位之间的相对运动，本文提出一种应用触须传感器测量心脏跳动的方法。研究了触须传感器的工作原理，并运用ANSYS/LS-DYNA进行有限元仿真。设计了连接触须传感器的6自由度机械臂，对机械臂进行运动学分析。基于虚拟样机技术进行了传感器的轨迹研究。主要内容包括：
　　1.设计了一种灵敏的柔性接触式传感器，测量过程中，传感器的尖端与心脏表面保持接触。根据经典材料力学建立其力学模型，对触须传感器的测量心跳位移的原理进行了分析，并推导出相应的理论公式。
　　2.运用ANSYS/LS-DYNA建立了触须传感器和心脏有限元模型，进行心跳位移测量仿真，读取相关仿真数据。同时利用计算公式进行理论计算，对仿真数据和理论计算结果进行对比分析，验证了所提出方法的有效性。
　　3.对触须传感器进行术前和术中路径规划。基于任务设计了连接传感器的6自由度机械手臂，建立了该机械臂的运动坐标体系，进行运动学分析，得到触须传感器尖端（接触点）在机器人辅助系统基坐标系下的坐标方程。
　　4.运用ADAMS建立了连接触须传感器的机械臂虚拟样机，对触须传感器的尖端进行手术路径规划仿真研究。在触须传感器的尖端加载驱动，实现了其在虚拟环境中按照设定的路径进行动作，逆解得6自由度机械臂各个关节变量随时间变化的曲线。

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图表清单

第一章 绪论

1.1机器人辅助心脏手术概况

1.2不停跳心脏手术消除心脏跳动的研究

1.3触须传感器

1.4计算机仿真技术简介

1.5课题研究意义及研究内容

第二章 触须传感器工作原理分析

2.1早期触须传感器结构及工作原理

2.2 触须传感器的结构设计

2.3触须传感器的工作原理

2.4本章小结

第三章 触须传感器测量跳动位移仿真

3.1 ANSYS/LS-DYNA概述

3.2应变片位置的选择

3.3回复弹簧的弹簧系数选择

3.4触须传感器测量心跳位移仿真

3.5本章小结

第四章 机械臂结构设计及其运动学分析

4.1机械臂的任务分析及其结构设计

4.2机器人运动学问题

4.3 6自由度的机械臂的运动学分析

4.4本章小结

第五章 触须传感器尖端轨迹仿真研究

5.1机械臂术前定位和术中轨迹规划

5.2机械臂虚拟样机建模

5.3 6自由度机械臂轨迹仿真

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文