一种绳驱动主动介入导管研究

摘要

微创介入诊疗机器人已经成为近年来医疗器械行业的热门研究方向。导管介入手术以其对人体造成的创伤小，康复时间短和成本低等优点，在当前心脑血管疾病的诊断与治疗中得到了日益广泛的应用。本文针对现有介入导管能动性差，操作困难，盲区多的问题，提出了一种驱动模块外置的绳驱动主动弯曲导管设计方案。将绳驱动技术应用于介入导管的主动弯曲中，电机等驱动单元外置，使得整个控制终端质量及体积减小，负载能力强，便于微型化。分析了介入导管的设计要求，利用Pro/E三维造型软件建立介入式主动导管系统的三维实体模型。
　　利用D-H参数法及几何分析法建立了导管主动弯曲头端通用正反运动学模型。根据所建立的运动学模型分别对已知末端执行器的位姿求解各个关节转角及驱动绳的长度和已知各驱动绳的长度求解各关节的转角及末端执行器的位姿进行了求解分析。并对导管各个关节的工作空间进行了分析计算。
　　对单关节的运动进行了轨迹规划，并由此推广到整个导管的轨迹规划，在外部环境已知时的工作状况下提出了导管运动轨迹的规划算法。设计了对驱动绳索的驱动控制方案。
　　对介入导管进行了仿真分析。研制了介入导管的物理原型样机，进行了原型样机通过岔路口的运动控制实验，结果表明，导管如预期通过管路岔口，利用绳驱动技术实现导管头端在狭窄空间内的姿态调整是可行的，导管运动学模型是正确的。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 导管介入诊疗技术现状

1.3介入导管与绳驱动的技术障碍

1.4 本文的主要研究内容

第二章 绳驱动介入式主动弯曲导管结构设计

2.1 介入导管系统的整体结构设计

2.2 介入导管主动弯曲头端的参数优化设计

2.3驱动控制模块设计

2.4 本章小结

第三章 介入导管的运动学及工作空间分析

3.2 主动导管反向运动学

3.3 主动导管正向运动学

3.4 主动导管的雅可比矩阵

3.5 主动导管的工作空间分析

3.6 本章小结

第四章 导管轨迹规划与驱动控制

4.1 介入导管运动的轨迹规划

4.2 介入导管的驱动控制

4.3 电机驱动模块的调试

4.4 本章小结

第五章 介入导管系统的仿真及试验

5.1 介入导管通过岔口过程的运动仿真

5.2 原型样机运行试验

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间的研究成果及发表的学术论文