核磁兼容針刺手術機器人系統(tǒng)可靠性研究.pdf

1、核磁兼容針刺手術機器人系統(tǒng)可靠性研究ResearchontheReliabilityofMRISurgicalRobotSystem學科專業(yè)：機械工程研究生：高學生指導教師：姜杉副教授天津大學機械工程學院二零一三年十二月摘要本文以核磁共振成像導航前列腺針刺手術機器人為研究對象，旨在提高其結(jié)構(gòu)可靠性及運動可靠性。針對實際上機器人試驗樣機缺少樣本信息的特點，本文采用理論計算、軟件仿真和實驗驗證相結(jié)合的方法，對其設計方案進行了優(yōu)化和改進。主要

2、包括基于密度凸集理論對機器人的實體尺寸進行魯棒性優(yōu)化，并采用螺旋理論對機器人進行運動誤差標定及控制參數(shù)補償。通過應力測量實驗和針尖點運動軌跡測量實驗，分別驗證了機器人在結(jié)構(gòu)強度和運動精度方面的較高可靠性，而且驗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方面：首先，針對醫(yī)用機器人系統(tǒng)缺乏足夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)的特點，首次提出一種密度凸集可靠性模型，在此基礎上，采用有限元—神經(jīng)網(wǎng)絡的方法擬合關鍵部件的結(jié)構(gòu)響應，進而根據(jù)所提出的密度凸集

3、理論對機器人結(jié)構(gòu)進行可靠度計算。在此基礎上將結(jié)構(gòu)魯棒性作為目標函數(shù)，將可靠度值作為優(yōu)化的約束條件對機器人尺寸進行優(yōu)化。其次，考慮到該針刺機器人氣動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動學標定方法。根據(jù)螺旋理論建立運動誤差模型，將驅(qū)動器誤差、幾何尺寸誤差和運動副配合誤差綜合分析。進而建立起機器人的控制系統(tǒng)的誤差補償策略，通過對驅(qū)動器的控制參數(shù)的實時調(diào)整，提高機器人運動精度。最后，在建立起的機器人運動控制平臺上，進行機器

4、人結(jié)構(gòu)應力的測量實驗和針尖點運動軌跡的測量實驗。在應力測量實驗中，測量結(jié)果驗證了針刺機器人的結(jié)構(gòu)可靠性和結(jié)構(gòu)魯棒性。在機器人針尖點的運動軌跡測量實驗中，通過比較誤差補償前后機器人的運動誤差，驗證了機器人執(zhí)行器的運動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用價值，在核磁共振成像導航手術機器人結(jié)構(gòu)設計及機器人運動精度的研究與應用中具有一定的實用價值，并為整個機器人系統(tǒng)在核磁條件下的可靠性驗證及改善打下堅實基礎。關鍵詞：針