介入导管设计及主从控制论文

《介入导管设计及主从控制论文》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、万方数据NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringTheDesignandMaster-slaveControlofInterventionalCatheterAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyFengAnyangAdvisedbyProf.ChenBaiSubmittedinPartialFulfillmentoft

2、heRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2014万方数据承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期

3、：万方数据本学位论文的主要研究内容受以下项目资助国家自然科学基金资助项目项目批准号：51075209江苏省自然科学基金资助项目项目批准号：BK2012798江苏省产学研联合创新资金--前瞻性联合研究项目项目批准号：BY2012011,BK2013003-10南京市科委产学研计划项目批准号：201204014上海市科委科技计划项目项目批准号：124119a3900上海交大医工交叉项目项目批准号：YG2011MS0万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着心血管疾病发病率的迅猛增长，血管介入手术作为一种安全、高效、低成本的手术方式，成为近年

4、来研究的热点。然而，传统的微创手术在多方面存在不足。在结构上，传统介入导管通用性和能动性的欠缺，严重影响了介入手术的效果；在控制方式上，传统介入导管的操控困难、精度难以保证，对操作者有较高的技术要求。另外，传统手术中对介入导管末端与血管的作用力没有有效的检测，介入过程存在安全隐患。针对传统介入导管通用性和能动性的不足，本文设计了一种混合驱动的模块化介入导管，其由一段绳索驱动的主动单元及多段SMA驱动的主动单元串联而成。各段导管单元通过可拆卸的弹性结构连接，手术前操作者可根据介入手术环境，选择合适的主动单元进行快速组装。通过对驱动绳索及SM

5、A弹簧的控制可实现对各段导管单元的姿态控制，并且该结构解决了传统介入导管驱动器长度的耦合问题，提高了导管的控制精度。在所设计介入导管结构基础上，运用D-H参数法建立了单节及多节导管单元的正向运动学模型，求解了其工作空间，并求解了单节导管单元的运动学逆解、雅克比矩阵及其奇异形位。本介入导管的结构保证了驱动器长度可实现解耦控制，因而本文研究了各驱动器长度随导管单元姿态变化的关系。根据驱动器的特点，本文建立了驱动器等效为直线和圆弧的两种建模方式。并通过仿真与实验结果的对比，拟合出了驱动绳索及SMA弹簧的长度随导管单元姿态角的变化关系。为主从控制

6、打下了基础。本文选用了三自由度力触觉设备Falcon作为导管系统的主手，在VS08环境中用C++语言编写手柄位置的跟踪程序，测得了Falcon手柄的工作空间。根据测得的手柄实际工作空间，建立了手柄工作空间到导管末端工作空间的点对点映射关系，并求解了其变换矩阵。本文还建立了系统开环增量式控制方式和末端导管单元的闭环雅克比控制方式，建立了增量式控制的主从映射模型和控制框图，阐述了闭环雅克比控制方式的具体操作步骤。为实现导管的顺利介入，本文建立了导管单元三点规划法和积分规划法两种路径规划算法。根据这两种算法，建立了整体导管介入过程的路径规划流程

7、。为了实现导管末端和血管的虚拟力反馈，本文研究分析了沿坐标轴包围盒(AABB）、方向包围盒（OBB）、包围球（Sphere）、以及固定方向凸包（K-DOPs）四种经典包围盒碰撞检测算法，并对其算法性能进行了对比分析。为保证仿真系统的实时性，本文建立了质点-弹簧反馈力计算模型。运用3dsMAX软件建立了血管模型，并用Netfabble、Meshlab软件对模型进行了前处理，获取了模型的三维数据文件。在VS08软件中运用C++语言编写了血管介入的虚拟力反馈仿真程序，其中运用AABB包围盒算法编写了血管为刚性的力反馈仿真程序，运用球填充I万方数

8、据介入导管的设计与主从控制的方式编写了血管为柔性的虚拟力反馈程序。仿真显示了柔性力反馈具有良好的实时性和逼真性。最后，本文搭建了导管系统实验样机。对软件控制系统进行了调试，实现了主手Falco