前列腺癌粒子植入机器人运动学建模和仿真

基于测量的人体前列腺会阴部操作空间和手术过程量化分析,研究了一种3-PCR并联式前列腺癌粒子植入机器人。对于这种对称少自由度并联机构作为位置调整机构,其运动学特性需要深入研究。采用封闭矢量法和Beout消元法建立3-PCR并联机构运动学正、逆运动学方程,通过数值计算验证了正、反解模型的正确性。利用MATLAB进行p点为空间旋量曲线时的运动学仿真,仿真结果表明机构具有较好的运动稳定性,便于实时控制。通过极限边界搜索法求解了该机构姿态为α=β=γ=0°下的工作空间,x=0时的YOZ工作空间截面为15 674 mm2能满足临床手术的要求。

3P悬臂式前列腺癌粒子植入机器人结构设计与仿真

基于前列腺癌患者截石位粒子植入手术的可操作空间,提出前列腺癌粒子植入机器人的设计要求;将机器人分为位置调整模块、姿态调整模块、末端植入器3个组成部分.通过杆件尺寸设计实现3自由度位置调整机构的运动解耦,计算其工作空间可满足临床需求;姿态调整模块采用远程运动中心(remote center of motion,RCM)机构,引入平行四边形机构解决运动死点问题;末端植入器采用齿轮齿条机构驱动外针,硬质摩擦槽轮驱动内针,通过弹簧压紧机构提供稳定压紧力并设计大容量粒子弹夹.最后,利用ADAMS进行运动学分析,验证数值计算的准确性;动力学分析验证前列腺癌粒子植入机器人设计的合理可行.

悬臂式前列腺粒子植入机器人重力矩平衡分析及实验研究

前列腺癌是男性泌尿系统最常见的恶性肿瘤,经会阴前列腺癌放射性粒子植入对于器官局限的早期低危前列腺癌是安全有效的治疗手段。传统的粒子植入手术是由医生手动完成的,由于手工操作的不确定性很难保证粒子植入的定位精度。提出采用机器人实现粒子植入手术,利用机器人的位姿精确控制能力解决手工操作不确定性导致的定位精度低的问题。进行了悬臂式粒子植入机器人的设计,由于悬臂结构产生的重力矩在工作时对机器人的运动稳定性产生影响,在对力平衡机构分析的基础上,在大小臂的回转关节处设计了十字交叉双弹簧平衡机构来平衡悬臂产生的重力矩,建立了悬臂式前列腺粒子植入机器人重力矩平衡的数学模型。利用Solidworks/Motion模块对引入十字交叉双弹簧平衡机构的悬臂式前列腺粒子植入机器人进行了运动仿真。基于悬臂式前列腺粒子植入机器人实验系统,分别进行了末端水平负载1 kg、竖直负载1 kg和水平竖直复合负载各1 kg情况下的平衡实验,实验和仿真结果表明悬臂式前列腺粒子植入机器人达到了设计时的预期目标,实现了重力矩的平衡。

粒子植入机器人粒子规划及人机交互控制研究

针对前列腺粒子植入治疗存在的粒子植入精度低、效率低、人机交互不自然和操作复杂等问题,提出一种基于动态规划的粒子植入规划算法来提高粒子植入效率,通过仿真将其与贪婪算法、蚁群算法等启发式算法进行对比,指出该算法更加稳定,满足临床需求.提出了前列腺粒子植入机器人的人机交互控制方法,建立了操纵杆与机器人运动的增量式映射关系,医生通过操纵杆实时控制机器人运动,从而实现在良好的人机交互操作下精准、高效地完成粒子植入手术.搭建了前列腺粒子植入机器人实验平台,实验结果验证了粒子植入规划方法的有效性,且人机交互控制映射和控制延迟均满足临床手术要求.