脊柱微创手术机器人结构设计与手术仿真研究

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1、硕士学位论文脊柱微创手术机器人结构设计与手术仿真研究STRUCTUREDESIGNANDSURGERYSIMULATIONSTUDYOFASURGICALROBOTFORMINIMALLYINVASIVESPINESURGERY彭翊哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文脊柱微创手术机器人结构设计与手术仿真研究硕士研究生：彭翊导师：杜志江教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classifi

2、edIndex:TP242.2U.D.C:621.865.8DissertationfortheMasterDegreeofEngineeringSTRUCTUREDESIGNANDSURGERYSIMULATIONSTUDYOFASURGICALROBOTFORMINIMALLYINVASIVESPINESURGERYCandidate：PengYiSupervisor：Prof.DuZhijiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAff

3、iliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要传统开放式脊柱手术对人体组织的破坏性过大，微创手术是治疗脊柱疾病的发展趋势。现有的传统脊柱微创外科手段和工具存在很多问题，阻碍了微创手术在脊柱外科领域的进一步推广。手术机器人已经成为突破脊柱微创外科诸多临床问题的智能化工具，因此，研究脊柱微创手术机器人并解决其应用的相关问题具有重大理论意义与临

4、床价值。本文针对脊柱微创手术机器人，在广泛查阅并对比分析国内外相关学术研究和商业产品的基础上，着重分析手术需求并考虑临床实用性，确定了手术操作所需的自由度与工作空间等设计指标，提出多种备选方案对比分析，基于混联机构的设计思想，完成了针对脊柱微创手术的5自由度混联手术机器人设计，建立了虚拟样机并对关键零部件进行了强度校核。其次针对特定的机器人关节构型，研究了运动学的分析方法，并基于并联部分全局灵巧度优化了并联部分结构尺寸，在确定手术机器人全部运动学参数后求解并绘制了工作空间三维实体，包括整体工作空间和定姿态工作空间。然后研究手术机器人针对特定手术目标的术前位姿规划

5、和手术操作定位点规划问题，定义了灵巧度综合指标和工作空间冗余度指标作为规划过程的目标函数，利用虚拟样机和规划结果进行了验证分析。最后，利用MFC和CHAI3D函数库完成了手术仿真系统的构建，验证了所设计的脊柱微创手术机器人结构的合理性和有效性，并实现了基于病人脊椎CT数据重建的三维模型的手术规划、手术机器人的术前位姿规划的仿真和手术操作的主从控制。关键词：混联手术机器人；工作空间；优化设计；位置规划；手术仿真-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTraditionalopenspinalsurgeryhasatoolargedestructiont

6、othehumanbody.Theminimallyinvasivesurgeryhasagooddevelopmentprospectinthetreatmentofspinaldiseases.Therearealotofproblemsinthetraditionalmethodsandtoolsofminimallyinvasivespinesurgery,whichhinderthefurtherpromotionofminimallyinvasivesurgeryinthefieldofspinalsurgery.Surgicalrobothasbe

7、comeanintelligenttooltobreakthroughthemanyclinicalproblemsofspinalsurgery,therefore,theresearchontherelatedproblemsofspinalminimallyinvasivesurgeryrobotanditsapplicationisofgreattheoreticalsignificanceandclinicalvalue.Thispaperanalyzesrequirementsofthesurgicaloperationandtakesclinica

8、lrequirement