核磁兼容針刺手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可靠性研究.pdf

1、核磁兼容針刺手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可靠性研究ResearchontheReliabilityofMRISurgicalRobotSystem學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程研究生：高學(xué)生指導(dǎo)教師：姜杉副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一三年十二月摘要本文以核磁共振成像導(dǎo)航前列腺針刺手術(shù)機(jī)器人為研究對(duì)象，旨在提高其結(jié)構(gòu)可靠性及運(yùn)動(dòng)可靠性。針對(duì)實(shí)際上機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)缺少樣本信息的特點(diǎn)，本文采用理論計(jì)算、軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。主要

2、包括基于密度凸集理論對(duì)機(jī)器人的實(shí)體尺寸進(jìn)行魯棒性優(yōu)化，并采用螺旋理論對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差標(biāo)定及控制參數(shù)補(bǔ)償。通過應(yīng)力測量實(shí)驗(yàn)和針尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡測量實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證了機(jī)器人在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)精度方面的較高可靠性，而且驗(yàn)證了理論方法的正確性和有效性。主要工作及成果概況為以下幾個(gè)方面：首先，針對(duì)醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)缺乏足夠?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，首次提出一種密度凸集可靠性模型，在此基礎(chǔ)上，采用有限元—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法擬合關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，進(jìn)而根據(jù)所提出的密度凸集

3、理論對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度計(jì)算。在此基礎(chǔ)上將結(jié)構(gòu)魯棒性作為目標(biāo)函數(shù)，將可靠度值作為優(yōu)化的約束條件對(duì)機(jī)器人尺寸進(jìn)行優(yōu)化。其次，考慮到該針刺機(jī)器人氣動(dòng)控制器的非線性誤差，本文基于螺旋理論方法提出了一種新的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方法。根據(jù)螺旋理論建立運(yùn)動(dòng)誤差模型，將驅(qū)動(dòng)器誤差、幾何尺寸誤差和運(yùn)動(dòng)副配合誤差綜合分析。進(jìn)而建立起機(jī)器人的控制系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償策略，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度。最后，在建立起的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)上，進(jìn)行機(jī)器

4、人結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測量實(shí)驗(yàn)和針尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的測量實(shí)驗(yàn)。在應(yīng)力測量實(shí)驗(yàn)中，測量結(jié)果驗(yàn)證了針刺機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可靠性和結(jié)構(gòu)魯棒性。在機(jī)器人針尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡測量實(shí)驗(yàn)中，通過比較誤差補(bǔ)償前后機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差，驗(yàn)證了機(jī)器人執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)可靠性及理論方法的有效性。本文研究成果具有較高的理論意義及應(yīng)用價(jià)值，在核磁共振成像導(dǎo)航手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的研究與應(yīng)用中具有一定的實(shí)用價(jià)值，并為整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)在核磁條件下的可靠性驗(yàn)證及改善打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：針