机械设计论文提纲

论文题目：核磁环境下的穿刺手术机械臂设计

摘要：伴随着机器人技术的进步与医疗技术的革新,医学和机器人学的结合已经成为外科手术的发展趋势之一。穿刺手术作为外科手术中重要的分支,具有活检与导向性治疗双重功效,在临床上应用极为广泛,但是目前来说,穿刺手术还需由人工完成,无法实现病人身体内部组织与穿刺针的实时成像,致使穿刺手术难度较大,风险较高。同时,医用核磁共振仪的普及使得医生能够在该环境中观察到病人的各种身体组织,且具有无辐射,成像清晰等优点。因此,着眼于以机器人手术代替人工手术,降低穿刺手术难度,使得病患和医生双方的心理负担都得以减少,提高手术的可靠性,推动医疗事业发展,本文对核磁环境下的穿刺手术机械臂展开研究,设计一款能用于核磁环境下的穿刺手术机械臂。主要研究内容包括:（1）分析核磁环境的具体特点,从构型兼容和强磁场兼容两方面考虑机械臂的核磁兼容性,研制一台应用于核磁环境下的穿刺手术机械臂,并对其壳体材料,电机,轴承,减速器等进行选型和校核,最后对加工出的机械臂实体进行单关节测试实验,以验证其加工和装配的正确性。（2）针对已有的穿刺机械臂,建立运动学模型,规划其在空间中的运动轨迹,在ADAMS中测得各个关节的运动参数以及连杆参数,验证机械设计的合理性,并对机械设计进行优化。（3）穿刺机械臂的核磁兼容性实验。利用蒙特卡洛法计算出机械臂的工作空间,并利用机械臂的穿刺示教验证其结构兼容性。在Maxwell中搭建强磁场环境,分析磁场中机械臂所受应力以及机械臂对磁场强度的影响,验证机械设计的合理性,并对机械设计进行优化。（4）穿刺机械臂的定位精度实验。设计穿刺机械臂的控制平台,利用激光跟踪仪对机械臂的定位精度进行测量,验证设计的合理性,并对误差来源进行分析,为后续研究打下基础。

关键词：机械设计;运动学仿真;核磁兼容性;定位精度;结构优化

学科专业：工程硕士（专业学位）

摘要

abstract

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 穿刺手术

1.1.2 医学影像

1.1.3 核磁共振成像

1.1.4 外科手术机器人

1.2 课题选题依据和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 手术机器人

1.3.2 核磁共振仪

1.3.3 国内外研究现状小结

1.4 论文主要内容与结构

第二章 六自由度穿刺机械臂的机械设计

2.1 穿刺机械臂的核磁兼容性

2.1.1 穿刺机械臂的结构兼容性

2.1.2 驱动兼容

2.1.3 机械臂驱动及构型的选择

2.2 设计指标

2.3 穿刺机械臂的机械设计

2.3.1 穿刺机械臂模型

2.3.2 传动机构

2.3.3 关节结构

2.3.4 电机走线

2.3.5 穿刺机械臂的可升降底座设计

2.3.6 穿刺装置选型

2.4 穿刺机械臂的部件选型

2.4.1 选型的依据

2.4.2 谐波减速器和电机的选型

2.4.3 穿刺机械臂外壳的设计

2.4.4 轴承的选型

2.5 穿刺机械臂的单关节控制

2.6 本章小结

第三章 基于ADAMS的运动学仿真

3.1 穿刺机械臂运动学模型的建立

3.1.1 穿刺机械臂的连杆坐标系

3.1.2 穿刺机械臂的正向运动学方程

3.1.3 正运动学模型的建立

3.1.4 逆运动学模型的建立

3.2 基于ADAMS的虚拟样机模型的建立

3.2.1 运动学仿真软件ADAMS

3.2.2 工作环境的准备和三维模型的简化

3.2.3 约束和传感器的设置

3.3 “铜钱”图案和空间曲线的仿真实验

3.3.1 机器人运动规划

3.3.2 关节空间的五次多项式插值

3.3.3 穿刺机械臂的具体轨迹规划

3.3.4 关节驱动的添加

3.4 穿刺机械臂的运动学仿真

3.4.1 穿刺针末端的运动轨迹

3.4.2 转动关节的角位移测量

3.4.3 转动关节的角速度测量

3.4.4 连杆质心角速度的测量

3.4.5 连杆动能的测量

3.5 仿真结果分析及优化方案

3.6 本章小结

第四章 核磁环境下的兼容性仿真

4.1 工作空间兼容性实验

4.1.1 蒙特卡洛法

4.1.2 基于MATLAB的工作空间计算

4.1.3 穿刺机械臂的工作干扰性检测

4.2 强磁场环境下的兼容性仿真

4.3 仿真结果分析及优化方案

4.4 本章小结

第五章 穿刺机械臂的定位精度实验

5.1 穿刺机械臂控制平台的设计

5.2 穿刺机械臂的定位精度实验

5.2.1 激光跟踪仪精度测量原理

5.2.2 机械臂的定位精度实验

5.2.3 机械臂运动学误差模型

5.2.4 机械臂的定位精度补充实验

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢