液压驱动的核磁兼容乳腺介入机器人设计与分析

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gaolch006
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由于核磁共振对软组织有较佳的清晰度,采用MRI图像引导的乳腺介入手术因其微创性和准确性而备受关注,但是MRI具有其独特性,如内部空间有限,材料选择需使用核磁兼容的材料等,本文提出采用液压驱动的核磁兼容乳腺介入机器人来执行乳腺介入手术,由此来实现驱动装置与MRI的兼容性。本文首先分析液压驱动的核磁兼容乳腺介入机器人的设计需求,明确核磁兼容乳腺介入机器人的总体设计方案。由于需要与MRI环境兼容,采用聚四氟乙烯和非磁性不锈钢材料制作该机器人所需的零部件。在进行机器人结构设计时,采用模块化的设计思想,完成了机器人的组织固定装置、定位机构、俯仰关节和活检机构的设计。其中组织固定装置采用旋转收缩式,定位机构采用直角坐标式,俯仰运动则通过定位机构中Z方向的差速运动来实现,有效简化了结构,并节省空间,之后用Solid Works软件建立了此液压驱动的核磁兼容乳腺介入机器人的三维模型。其次,根据以上建立的核磁兼容乳腺介入机器人三维模型,创建机器人的连杆坐标系,通过齐次变换矩阵的方式求解其正解与逆解;在MATLAB/Simulink软件中,利用Sim Mechanics工具箱建立仿真模型,求解机器人末端点的工作空间,验证其工作空间满足设计要求。然后,对此机器人的关键零部件进行受力分析,在ANSYS/Workbench软件中对其进行有限元静力学分析,包括应力和应变分析,分析结果表明该乳腺介入机器人结构设计是合理的。利用3D打印技术制作核磁兼容乳腺介入机器人的实物模型,对其进行组装和调试,用此实物模型进行工作空间验证,得到的实验结果与仿真结果是一致的。为了满足核磁环境下的驱动兼容性要求,本文提出液压驱动方式。为此,对液压驱动的定位误差等展开了实验研究。实验结果证明,液压驱动可满足机器人工作过程中的误差要求,为后续的机器人操控研究奠定基础。
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