主从式脊柱手术机器人双边控制策略及骨磨削温度场研究

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1、硕士学位论文主从式脊柱手术机器人双边控制策略及骨磨削温度场研究RESEARCHONBILATERALCONTROLOFMASTER-SLAVEROBOTICSPINALSURGICALSYSTEMANDTEMPERATUREFIELDINBONEGRINDING雷隆哈尔滨工业大学2016年12月万方数据国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工程硕士学位论文主从式脊柱手术机器人双边控制策略及骨磨削温度场研究硕士研究生：雷隆导师：杨晓钧副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在

2、单位：深圳研究生院答辩日期：2016年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:681.5DissertationfortheMaster’sDegreeofEngineeringRESEARCHONBILATERALCONTROLOFMASTER-SLAVEROBOTICSPINALSURGICALSYSTEMANDTEMPERATUREFIELDINBONEGRINDINGCandidate：LeiLongSupervisor：AssociateProf.Ya

3、ngXiaojunAcademicDegreeAppliedfor：Master’sDegreeofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据摘要摘要随着机器人技术的发展以及社会需求的不断增大，医疗机器人正成为国内外的研究热点，其中主从式

4、手术机器人越来越多地用在临床手术中。本文搭建了用于椎板减压术中磨削骨的主从式脊柱手术机器人系统，提出了新的主从工作空间映射方法，实现了机器人系统的主从运动控制，另外，对骨磨削过程中的温度场进行了实验研究。基于椎板磨削手术的要求以及对双边控制方法的综合分析，采用直接力反馈型控制方法搭建了主从式脊柱手术机器人系统，系统主要包括主端Omega.6力反馈设备、从端脊柱手术机械臂、视觉反馈系统、力反馈系统以及磨削系统，系统采用分布式控制方式，通过在上位机中编写控制程序完成了主从交互反馈控制。在搭建的主从异构式系统基础上，进行了相应

5、的主从工作空间映射策略研究，将主从运动分为定位运动和精细操作两种模式，定位运动采用速率控制法，从而使磨钻快速到达手术区域，精细操作运动采用位置控制法，通过合理选择位置比例系数，提高手术精度。利用V-REP仿真器采用广义逆方法对所提主从工作空间映射策略进行了仿真，验证了其合理性，基于V-REP中的外部运动学函数库实现了对实际的主从式机器人的运动控制。主从运动控制实验表明位置控制模式下主从运动误差在±1mm内，通过对有力反馈下和无力反馈下骨磨削效果比较，得出在磨削操作中引入力反馈可有效降低骨内层皮质磨穿风险。针对磨削过程中产

6、生的磨削热会对骨组织以及周围神经造成热损伤问题，先从理论上对骨磨削过程温度场进行了分析，将磨削过程的热分布问题看做是具有移动热源的三维非稳态热传导问题，将磨钻沿轴线方向分解为N个磨削单元，对参与磨削的每个磨削单元产生的磨削热进行了分析。在理论分析的基础上，进行了磨削猪肩胛骨表层皮质实验，对特定磨削条件下骨温度升高情况、磨削热的分布以及进给速度对磨削温度的影响情况进行了定量研究，实验中，利用红外热像仪采集磨削区温度信息，通过用探针针尖加热实际测量点的方法实现了红外图像中测量点的选取。关键词：主从式机器人；双边控制；主从工作

7、空间映射；骨磨削温度场I万方数据AbstractAbstractWiththedevelopmentofrobotictechnologyandtheincreasingsocialneeds,themedicalroboticsystemsarebecomingahotresearchareaathomeandabroad.Takingadvantageofhumanintelligenceandthehighstabilityofrobot,themaster-slaveroboticsurgerysystemisr

8、eceivingabroadattentionandresearch.Thispaperbuiltamaster-slaveroboticspinalsurgerysystemforthevertebralplategrindinginthedecompressivelaminotomy,andanewmaster-