6-PTRT型并联机器人关键技术及其在正骨手术中的应用

【摘要】： 闭合整复目前已经成为治疗股骨和胫骨骨折的常规方法,但仍存在手术时间长、精度低、医生劳动强度和辐射剂量大等问题。机器人辅助医疗外科手术近年来已进入实用,它具有准确度高、手术时间短、创伤小等特点,已经成为国际前沿研究热点之一。在机器人辅助整形外科系统中,并联机器人由于其刚度大、精度高等优点而备受专家的青睐,因此进一步研究并联机器人的关键技术及其在整形外科手术中的应用仍具有重要的理论意义和实际应用价值。 本课题结合国家“863”计划资助项目“遥操作辅助正骨医疗机器人系统”及“远程医疗机器人关键技术与系统研发”,旨在建立人体股骨或胫腓骨骨折后用于断骨复位的6-PTRT型并联机器人,对该类型并联机器人的关键技术和复位方法进行研究。 在全面分析传统的正骨手术基础上,选择6-PTRT型并联机器人作为复位机构,并提出相应的设计指标。介绍并分析此类并联机器人运动学相关问题,建立辅助正骨的并联机器人系统。 研究了6-PTRT型并联机器人的一些关键技术:分析并联机器人胡克铰的工作空间,得出并联机器人胡克铰的设计准则和安全使用方法;提出并联机器人位姿检测的三平面法,并根据此方法进行6-PTRT型并联机器人运动学标定;研究并联机器人力感觉静力学模型及相关问题,判断一定负载下每个连杆分支是否安全。 根据医学背景知识,结合外科医生的临床经验,提出并联机器人辅助正骨复位的方法:基于图像处理的复位方法、基于人体力线的复位方法和基于人体有限元生物力学模型的模糊力控制复位方法。 结合机器人辅助正骨系统,对上述复位方法进行实验和仿真。实验表明,基于图像处理的正骨复位方法更精确但对固定要求很高;基于人体力线的正骨复位方法精度略低,但对固定条件要求不高,更适用于实际手术;基于人体有限元生物力学模型的模糊力控制方法在人体力线复位方法基础上,进一步避免了“一维压缩”过程中需要不断拍摄X光片检测复位效果的步骤,减少医生和患者的辐射剂量,提高手术的效率。 本文的研究工作为今后机器人辅助整形外科系统中并联机器人、复位方法和人体生物力学等方面的研究提供可以借鉴的理论和实践经验,尤其在将机器人应用到整形外科手术方面具有重要意义。