六自由度植牙手术机器人设计及性能分析

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1、分类号：TH12密级：UDC：621编号：河北工业大学硕士学位论文六自由度植牙手术机器人设计及性能分析论文作者：王晓东学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：机械工程指导教师：张顺心职称：教授资助基金项目：天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目（13JCYBJC41200）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringDESIGNANDPERFORMANCEANALYSISOFSIXDEGREEOFFREE

2、DOMDENTALIMPLANTROBOTbyWangXiaodongSupervisor:Prof.ZhangShunxinMay2017ThisworksupportedbytheTianjinfoundationforappliedresearchandadvancedtechnology.No.13JCYBJC41200.原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的

3、研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要植牙手术机器人将是医疗外科

4、手术领域一个全新的突破，但是现有植牙手术机器人结构繁杂，末端缺乏灵活性，难以顺利地实现口腔内的钻孔操作。本文紧密结合植牙手术实际，设计了一种结构更加紧凑、灵活性更高地六自由度植牙手术机器人，并对其运动学问题以及动态特性进行了相关研究。（1）研究了植牙手术机器人的构型综合。根据总体设计要求，对比分析各类机器人构型的优缺点，选择了适合植牙手术机器人的构型。（2）对植牙手术机器人进行了结构设计。根据构型综合，给出了植牙手术机器人的整体结构，其结构更加轻巧紧凑，灵活性较高。然后对末端钻孔系统进行了静力学分析，得出其结构设计符合强度要求。（3）利用D-H法求解

5、了植牙手术机器人的运动学正、逆解，并利用微分变换法求出了机器人的雅克比矩阵，为系统控制奠定基础。然后，利用RoboticsToolbox和ADAMS分别对其进行了运动学仿真，验证了运动学模型的正确性。最后，利用蒙特卡洛法对其进行了工作空间分析。（4）建立了植牙手术机器人的有限元模型，利用ANSYSWorkbench分析其动态特性，主要包括模态分析和谐响应分析，其中模态分析得到了植牙手术机器人结构的振型和固有频率，谐响应分析得到了植牙手术机器人的结构在频率105Hz和844Hz处容易发生共振，为工况下防止出现共振现象提供了重要的参考依据。以上研究成果和

6、结论为植牙手术机器人的设计和控制提供了理论基础，同时进一步加速了植牙手术机器人应用于临床的脚步。关键字：植牙手术机器人；结构设计；运动学；模态分析；谐响应分析IABSTRACTDentalimplantrobotwillbeanewbreakthroughinthefieldofmedicalsurgery.However,theexistingdentalrobotiscomplicatedandthedrillingsystemlacksflexibility.Itisdifficulttorealizethedrillingoperationi

7、noralcavity.Inthispaper,amorecompactandflexiblesixdegreesoffreedomrobotisdesigned.Thekinematicsanddynamiccharacteristicsarestudied.(1)Theconfigurationsynthesisofdentalimplantrobotisstudied.Accordingtothedesignrequirementsandthecomparativeanalysisoftheadvantagesanddisadvantageso

8、fvariousconfigurations,theconfigurationoftherobotissel