机器人辅助针穿刺稳定性分析及路径规划

摘要

针穿刺过程中，通常希望能够精确预测靶点的位置，然而靶点除了发生偏移外还发生振动，很难预测靶点的精确位置。减小靶点的振动幅度即提高穿刺稳定性对提高靶点的预测精度具有重要意义。因为靶点的振动是由于穿刺针与软组织之间的相互作用产生的，因此可以通过穿刺力的振动情况来反映。本文分析了组织材料特性和穿刺速度对穿刺稳定性的影响，并建立了跟穿刺速度相关的稳定性模型，通过该模型可以选择合适的穿刺速度来提高穿刺稳定性。
　　本文利用D-H（Denavit-Hartenberg）法建立了斜角柔性穿刺针的正向运动学模型。当针尖位于距离目标靶点2r（r为圆弧轨迹的半径）内的区域时，针尖运动受到可达性条件的限制，因此提出了时刻保证针尖对靶点的可达性的几何逼近模型。几何逼近模型适合于进针点与靶点之间的距离小于等于2r的情况，通过该模型可以得到从进针点到靶点的所有可行路径。仿真结果表明该模型能够精确预测从进针点到靶点的可行路径，进而为路径规划提供了理论依据。当针尖位于距离靶点2r外的区域时，针尖运动不受可达性条件约束，原则上针尖可以任意穿刺，但是穿刺的目的是要到达目标靶点，因此，提出了一种引导穿刺针向靶点靠近的路径规划算法，该算法同时允许在有避障需求时出现针尖不接近靶点的中间进针过程，从而使得针穿刺过程具有较强的避障能力。同时本文还给出了将该算法和几何逼近模型相结合的方法，进而实现了进针点与目标靶点的距离大于2r时的路径规划目标。最后通过仿真实验表明，该规划算法和几何逼近模型相结合的方式能够准确规划出从进针点到目标靶点的可行路径。从而利用本算法和几何逼近模型进行最优化路径规划时，理论上能保证穿刺针一定刺中目标靶点，因此为路径最优化规划提供了理论依据。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 主要研究内容

第2章 针穿刺稳定性

2.1 引言

2.2 实验装置与实验过程

2.3 实验结果与分析

2.4 本章小结

第3章 斜角柔性穿刺针运动学

3.1 引言

3.2 建立坐标系统

3.3 运动学

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第4章 路径规划

4.1 引言

4.2 路径规划

4.3 仿真验证

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 全文结论

5.2 工作展望

参考文献

致谢

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