基于3-rps并联机构微创脊柱手术导引设备稳健优化设计论文

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1、工学硕士学位论文基于3-RPS并联机构的微创脊柱手术导引设备稳健优化设计TherobustoptimizationdesignofMinimallyinvasivespinalsurgeryguidanceequipmentbasedonthe3-RPSparallelmechanism高鹏河北工程大学2013年5月ADissertationSubmittedtoHebeiUniversityofEngineeringFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeri

2、ngTherobustoptimizationdesignofMinimallyinvasivespinalsurgeryguidanceequipmentbasedonthe3--RPSparallelmechanismCandidate：GaoPengSupervisor：Prof．Wang,NanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechanicalDesignandTheoryCollege／Department：

3、CollegeofMechanicalandElectricalEngineeringW-kU-．U1HebeiUniversityofEngineering，，一1一May，2013独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大．望或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表

4、示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。．学位论文作者签名：L々7‘签字日期：加7，年上月冶日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塑兰堡王堡太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权塑宴垦三堡太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者虢南导师签名：曩．≮南幺．≮韵签字日期：加I；年r月矽日签字目期：

5、加侈年，月喇目摘要在脊柱手术中，椎弓根植钉手术需要对脊柱进行钻孑L，由于毗邻神经根和脊髓，尤其是在颈部寰枢椎手术，紧邻呼吸系统和循环中枢，稍有不慎就会造成脊髓或延髓的损伤，因此对脊柱手术的高要求、高精准度，使得机器人在手术中的应用迫在眉睫。本文以3-RPS并联机构为基础，研发出一款微创脊柱手术导引器。对微创手术导引器的主体3-RPS并联机构进行机构分析；通过对稳健优化算法的研究，考虑3-RPS并联机构的运动学和动力学性能，利用遗传算法对3-RPS并联机构进行结构参数的优化设计。本文根据脊柱手术的

6、具体要求，结合并联机构特点，提出了一种基于3-RPS并联机构的新型微创手术导引器，利用封闭矢量法对该机构的运动学逆解分析并给出求解方法；分析评价了四种不同工作空间并给出求解算法；对3-RPS并联机构运动学分析的基础上求解了雅可比矩阵，提出了两种对机构灵活度分析的指标函数。利用商用有限元软件AnsysWorkbench对并联机构进行动力学分析。利用SolidWorks三维实体建模软件建立3-RPS并联机构的实体模型，导入到有限元软件AnsysWorkbench中，通过对铰链的有限元处理，对3-RP

7、S并联机构进行动力学模型的模态分析，得出了该模型的固有频率和振型。提出一种新型的稳健优化设计方法。通过Boxbehken的实验设计，并利用有限元软件AnsysWorkbench生成了初始实验样本点。通过最小二乘法，拟合了3-RPS并联机构的单响应动力学数学模型。采用Kriging插值、神经网络加强法来产生新的样本点的方法进行稳健优化设计。最后利用遗传算法对含有运动学、动力学指标的目标函数进行了多目标优化。以3-RPS并联机构为基础，提出了微创手术导引器的构型方案，对机械结构设计及控制系统设计，开

8、发了微创脊柱手术导引器的原型样机。关键词：并联机构：脊柱手术：动态特性：稳健设计：优化设计AbstractInspinalsurgery，vertebralarchgroundingpinholeinspinalsurgeryneed，duetotheadjacenttothenerverootandspinalcord，especiallyintheneckatlasaxissurgery，closetotherespiratorysystemandcirculationcenter,have