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MRI环境下的介入机器人设计及运动仿真

作　者: 耿利威
导　师: 张永德
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: MRI 介入机器人结构设计运动仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 91次
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内容摘要

核磁共振兼容的手术机器人技术是提高实时图像导航下穿刺活检手术质量的最有效方法之一。但是由于核磁设备对铁磁性材料的强大磁性,将严重干扰工作范围内具有磁性材料的设备的正常工作,也会使其自身成像质量严重下降。因此与核磁共振设备兼容的机器人的研究就具有十分重要的理论意义和应用价值。核磁共振设备环境下的机器人设计面临着高磁场和受限工作空间的难题。本文基于核磁设备下介入机器人使用要求,提出了一种与核磁设备兼容的、气动驱动、适于临床应用的机器人机构。首先通过分析核磁设备特点,提出了核磁设备兼容机器人的设计要求,包括磁共振兼容性、工作空间和结构兼容性要求,在此基础上,研究了机器人自由度的选择、构型方案设计及驱动方式的选择问题,设计了机器人的系统方案。其次使用许用挠度法对机器人本体的定位装置、定向装置和扎针模块等进行了具体的设计和尺寸优化,对结构中所使用的材料和驱动气缸等零部件进行了兼容性测试,并使用PRO/E建立了机器人系统的三维模型,使用Matlab/Simlink中的SimMechanics工具箱分析了机器人的实际工作空间,借助Ansys/Workbench对机器人的强度和刚度进行了校核。然后采用D-H方法建立机器人坐标系,推算出机器人运动学的正解和逆解,进而求取机器人系统的变换方程。最后探讨了机器人的路径规划方法,使用Adams软件进行了机器人运动控制仿真,并对仿真结果进行了分析。本论文的研究为进一步构建实际样机和手术控制奠定了基础,同时对机器人的结构设计、运动学分析、三维建模及仿真、结构有限元分析、工作空间分析等方面具有重要的参考意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 引言  11
  1.2 课题研究的背景及意义  11-13
    1.2.1 研究背景  11-12
    1.2.2 研究意义  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-19
    1.3.1 国外研究现状  13-17
    1.3.2 国内研究现状  17-18
    1.3.3 国内外研究现状综合分析  18-19
  1.4 课题来源与研究内容  19-20
    1.4.1 课题来源  19
    1.4.2 研究内容  19-20
  1.5 论文结构  20-21
第2章 MRI 环境下介入机器人系统总体方案设计  21-30
  2.1 引言  21
  2.2 MRI 环境下的介入机器人的设计要求  21-23
    2.2.1 核磁共振兼容性要求  21-22
    2.2.2 工作空间要求  22
    2.2.3 结构兼容性要求  22-23
  2.3 MRI 环境下介入机器人系统方案的确定  23-29
    2.3.1 机器人系统的组成  23-24
    2.3.2 机器人自由度的选择  24-25
    2.3.3 机器人构型方案选择  25-27
    2.3.4 机器人驱动方式的选择  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章 MRI 环境下机器人系统具体结构设计  30-49
  3.1 MRI 环境下机器人各关节尺寸的确定  30-32
  3.2 MRI 环境下介入机器人定位装置设计  32-37
    3.2.1 驱动装置的设计  32-33
    3.2.2 定位装置的结构优化设计  33-37
  3.3 MRI 环境下介入机器人定向装置设计  37-40
    3.3.1 定向装置运动参数与气缸选择  37-38
    3.3.2 定向装置结构优化设计  38-40
  3.4 机器人扎针模块设计  40-41
  3.5 机器人整体结构模型  41
  3.6 MRI 环境下机器人的兼容性测试  41-44
  3.7 MRI 环境下机器人的工作空间分析  44-47
  3.8 机器人结构强度校核与分析  47-48
  3.9 本章小结  48-49
第4章机器人运动学分析  49-59
  4.1 引言  49
  4.2 机构的描述方法  49-50
  4.3 机器人运动学的数学基础  50-52
    4.3.1 刚体位置和姿态的描述  50-51
    4.3.2 齐次坐标变换  51-52
  4.4 机器人运动学分析  52-57
    4.4.1 机器人连杆的描述  52-53
    4.4.2 机器人连杆坐标系的设定  53
    4.4.3 机器人连杆坐标系的建立  53-54
    4.4.4 连杆变换与运动学方程  54-57
  4.5 机器人系统的变换方程  57-58
  4.6 本章小结  58-59
第5章 MRI 环境下介入机器人运动仿真  59-67
  5.1 MRI 环境下机器人运动路径规划  59-61
  5.2 MRI 环境下机器人运动仿真  61-66
    5.2.1 仿真软件Adams 简介  61-62
    5.2.2 PRO/E 与Adams 的接口  62-63
    5.2.3 MRI 环境下机器人的仿真分析  63-66
  5.3 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-73
攻读硕士学位期间发表的学术论文  73-74
致谢  74

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