机器人辅助脊柱外科手术的术中运动补偿方法研究

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1、硕士学位论文机器人辅助脊柱外科手术的术中运动补偿方法研究MOTIONCOMPENSATIONMETHODINROBOTASSISTEDSPINALSURGERY陈海云哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：TP249学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文机器人辅助脊柱外科手术的术中运动补偿方法研究硕士研究生：陈海云导师：李兵教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP249U.D.C:621Adissertationsubmittedinpar

2、tialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringMOTIONCOMPENSATIONMETHODINROBOTASSISTEDSPINALSURGERYCandidate：ChenHaiyunSupervisor：Prof.LiBingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：Dec

3、ember,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要椎弓根螺钉内固定手术是治疗脊柱畸形、椎间盘退行性病变、脊柱肿瘤等的一种脊柱手术方式。在机器人辅助脊柱手术的椎弓根螺钉内固定手术中，病人的周期性呼吸运动以及手术器械对手术区域力的作用将会对手术精度造成影响，对病人手术区域组织形成创伤，严重时将直接导致手术的失败。本文针对机器人辅助的脊柱手术术中呼吸运动以及手术器械的力作用影响的脊柱手术区域的空间位姿变动这一技术难题，开展了一系列的脊柱手术术中位姿补偿系统理论研究及验证实验

4、。本文分析了脊柱腰椎段受力变形状况与受手术器械力之间的关系，建立了他们之间的理论数学模型。针对腰椎段结构形式，将椎体椎间盘的连接形式假想成一种特殊的梁结构，把椎体考虑为刚体，椎间盘考虑为线弹性体。运用材料力学相关知识，对腰椎段结构进行了分析与简化，得出了腰椎段受力与形变的关系。同时运用有限元软件ABAQUS对分割出的腰椎段模型进行了仿真，验证建立的理论数学模型的准确性。本文对Stewart运动仿真平台的运动学及动力学进行了分析求解，并结合PD以及最优控制算法在MATLAB软件中进行了补偿算法的仿真。为了补偿腰椎段受手术器械力作用的形变，运用Stewart平台模拟手术床进行运动补偿。在

5、MATLAB的环境下建立基于最优控制理论的并联机器人控制器，使并联机器人实时补偿腰椎段手术器械作用点受到力作用后的形变。针对腰椎手术术中呼吸作用的影响，设计开发了一套模拟补偿系统，并结合光学定位装置进行了相关实验。该系统中为模拟呼吸的周期运动，采取了物理建模的方式，之后运用现有的并联平台与光学追踪装置NDI组成了一个补偿系统。该系统通过分析手术器械、腰椎与补偿装置的参考坐标系建立了补偿关系，得出了其补偿算法，并进行了实验。关键词：腰椎段建模；有限元分析；并联运动仿真平台；PD控制；运动补偿I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractPediclescrewfixationisak

6、indofspinalsurgeryforthetreatmentofspinaldeformity,degenerativediscdiseaseandspinaltumor.Inrobotassistedpediclescrewfixationspinalsurgery,thepatient'speriodicrespiratorymovementandtheeffectofsurgicalinstrumentsontheregionalforceoftheoperationwillaffecttheaccuracyoftheoperation,andwillcausetraum

7、atothepatient'ssurgicalregionaltissue,whichwilldirectlyleadtothefailureoftheoperation.Thespaceforspinalsurgeryarearespiratorymovementandinfluenceforceofsurgicalinstrumentsspinalsurgeryrobotassistedintheposturechangeofthetechnicalp