毕业设计(论文)-无框架立体定向神经外科手术机器人--精密手术执行机构设计.doc
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1、无框架立体定向神经外科手术机器人技术文件之二 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:学 号:学院(系):机械工程学院专 业:机械设计制造及其自动化题 目:无框架立体定向神经外科手术机器人 精密手术执行机构设计 教 授指导者: (姓 名) (专业技术职务)评阅者: (姓 名) (专业技术职务)2005 年 6 月毕业设计说明书(论文)中文摘要对无框架立体定向神经外科手术机器人系统的精密手术执行机构设计进行了研究。早在几年前,国外就在该领域的研究中提出了相应的方案,目前已经研制出了相应的产品,并在医疗应用领域赢得了广泛的好评。但在国内,该类产品还没有得到实质性的开发。本设计是基于Wi
2、ndowsXP操作平台,以精密仪器设计和概念设计为指导思想,运用了3d Studio Max软件进行三维建模与Auto CAD软件进行零部件设计相结合的现代化机械设计手段,完成了两种高精度手术执行机构设计。最后进行了临床应用方面的简介,论证了远程医疗可以节省大量的人力、物力的事实。关键词 精密仪器设计 概念设计 三维建模 远程医疗 本科毕业设计说明书(论文) 第 47页 共 47 页毕业设计说明书(论文)外文摘要Title The No-frame Directional Neurosurgery Surgical Robot (The Design of The Precise Surgic
3、al Execute Machine) AbstractMakes out the research of the design of the precise surgical execute machine of the no-frame directional neurosurgery robot surgical operation system. Several years ago, some foreign countries have put forward the homologous project in the research of that domain, have al
4、ready researched to manufacture homologous product currently, and in the application domain of medical treatment gain the extensive high opinion. But in the domestic, this type production has not yet got the materiality development. The design is based on the Windows XP operation platform, with the
5、design of precision instrument and the conception design as the guidance thought, make use of the modernize machine design of 3d Studio Max software to carry on the design three-dimension modeling and the software of Auto CAD to carry on the accessories and components, and complete the design of two
6、 kinds of high precision surgical execute machine. Finally, carried on the brief introduction of the clinical application, prove the fact of long-distance medical treatment can save a great deal of manpower and material resources.Keywords the design of precise instrument three-dimension modeling con
7、ception design long-distance medical treatment目 次1 绪论11.1 引言 11.2 研究背景及国内外发展现状 11.2.1 研究背景11.2.2 国外发展状况21.2.3 国内研究现状31.3 本论文课题来源31.4 本论文研究内容41.5 本论文的结构安排41.6 本章小结52 机器人本体部分设计62.1 医疗外科机器人系统技术特点62.1.1 机器人子系统62.1.2 医疗外科机器人系统的软件系统72.2 微创手术医疗外科机器人系统技术指标82.3 医用机器人结构设计82.3.1 总体介绍92.3.2 手腕结构设计 92.4 问题的提出112
8、.5 任务的明确112.6 本章小结113 精密仪器设计的指导思想和原则123.1 设计的指导思想123.2 设计原则133.3 医疗器械的概念及构成 143.4 医疗器械的设计原则及程序143.4.1 设计的基本原则 143.4.2 设计方法153.4.3 设计程序153.5 医疗器械的技术经济评价163.5.1 技术评价163.5.2 经济评价173.6 3D Studio Max和Auto CAD及其应用173.7 本章小结174 定位精度达0.1mm精密手术执行机构的设计184.1 设计要求184.2 设计理念184.3 重要零件的设计说明184.3.1 导轨184.3.2 标尺204
9、.4 其他零件的设计说明234.4.1 圆孔圆台234.4.2 固尺圆台244.5 整体装配244.6 用3d Studio Max 进行三维建模设计254.7 本章小结265 定位精度达0.01mm精密手术执行机构的概念设计275.1 设计要求275.2 设计理念275.3 概念设计275.4 用3d Studio Max 进行三维建模设计295.5 机构附件315.6 机构误差原因剖析315.6.1 误差分析总述315.6.2 示数装置的误差325.7 本章小结326 临床应用336.1 立体定向神经外科手术简介336.2 医疗外科机器人系统346.3 医疗外科机器人手术临床试验描述346
10、.4 远程医疗356.5 本章小结37结论38致谢39参考文献40附录光盘1 绪论1.1 引言机器人学是近40年来迅速发展起来的综合性学科,它综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果,是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的研究、制造和应用,正受到许多国家的广泛重视,是一个国家科技水平和经济实力的象征。近十几年来,机器人技术的发展极为迅猛,各种用途的机器人纷纷面世,并得到了广泛的应用。目前,世界已拥有机器人100万台左右,其中主要是工业机器人。但随着技术的发展,机器人的应用领域已不再局限于传统的制造业,其在服务领域的应用正日益受到人们的关
11、注。近年来,由医务工作人员与工程技术人员的紧密配合,将先进的机器人技术、计算机图像技术、计算机控制技术和微创伤外科技术相结合,研究开发了许多类型的医用机器人系统,有的系统己应用于临床实践,一些研究成果已显示出巨大潜在的经济和社会效益。这方面的研究不仅在提高手术的质量、减少手术创伤,缩短病人的恢复周期,降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革,也将改变传统医疗外科的许多概念,对新一代手术设备的开发与研制,对医学的教学与研究,对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展也将产生深远的影响,并对机器人技术(Robotics)、计算机虚拟现实技术(Virtual Reality)、机械电子学技术(M
12、echatronics)等相关学科的理论与技术发展也产生了积极的推动作用。1.2 研究背景及国内外发展现状1.2.1 研究背景目前医疗外科机器人系统的研究和开发引起了西方许多发达国家如美国、法国、德国、意大利、日本等国政府和学术界的极大关注,并投入了大量的人力和财力。早在上世纪八十年代,西方七国首脑会议就确定了国际先进机器人研究计划IARP,至今已召开过多次成员国医用机器人研讨会。美国国防部已经立项,开展基于遥操作的外科研究(Telepresence Surgery),用于战伤模拟、手术培训、解剖教学。法国国家科学研究中心开展了医疗外科仿真、规划和导引系统的研究工作。欧盟也将机器人辅助外科手术
13、及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。医疗外科机器人己经成为当前发展的热点之一。国内医用机器人研究刚刚起步,一些医院引进了国外高技术医疗器械公司的产品,如Computer Motion公司Aesop心胸外科手术系统,但是一方面遇到价格昂贵、维护成本高的突出问题,另一方面一些引进的产品不符合国情,过于超前或操作功能太复杂,不能有效发挥作用。1.2.2 国外发展状况迄今为止,国外已研究和开发了多种医疗外科机器人系统,适用范围也越来越广。国外的主要研究有:1 美国加利福尼亚大学RH.Taylor已经开展了多年图像导引医疗外科机器人的研究,现在已经开发出三种产品,机器人辅助手术系统ROBO
14、DOC:主要应用于髋关节置换或膝关节置换;术前规划工作站ORTHODOC:在ROBODOC进行手术之前,根据CT扫描输入的图像构建解剖图像,医生根据图像进行术前规划,术前规划的结果将作为术中ROBODOC的输入;ROBODOC在神经外科手术方面的应用系统NEUROMATE:此系统无框架神经外科手术系统,用于治疗帕金森氏症。2 美国Berkeley大学系统开展了带有力反馈和立体远程触觉的远程医疗外科机器人的研究,系统包括两台带有灵巧手及触觉传感器的机械臂、力和触觉反馈设备、改进的成像和三维显示系统,所有的设备都由计算机控制。他们的研究目标是使医生能够微创伤地完成复杂的外科手术,但是目前尚未看到该
15、系统有临床应用的报道。3 德国的Berlin大学长期开展医疗外科机器人的研究工作,他们分别研究了机器人在颌面整形、牙科整形、放射外科中的应用。系统采用一套光电系统作为手术导航工具,机器人则采用改造后的PUMA工业机器人,他们还开发了多种适合于机器人末端夹持的手术工具。他们在计算机辅助手术导航系统、手术工具设计方面比较独特,但是在医疗外科机器人本体设计方面研究不多。4 美国Computer Motion公司开发Zeus机器人手术系统,适用于内窥镜式微创手术,系统由三只置于手术床上的交互性机械臂、计算机控制器及医生控制台组成。手术时,医生坐在控制台前,观察手术情况的二维或三维显示,用语音指示控制内
16、窥镜,并通过仿医疗手术器械的操作手柄来控制手术仪器。其中一只机械臂采用声控的交互方式,作为声控内窥镜,另外两只机械臂则在医生的控制下操作手术工具。5 Da Vinci机器人外科手术系统由美国加州的Intuitive Surgical公司开发,己获得欧洲CE认证和美国FDA认证,是世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的医疗外科机器人。系统的构成包括一台三维视像系统的外科医生控制台、三支可定位及精确地操控内窥镜的机械臂、内窥镜等设备。手术中医生坐在控制台前,通过观察计算机画面上被放大20倍的病人体内组织的三维影像,操作控制杆来完成手术,系统将模拟医生的手部动作,机器人末端有一个仿照人类手腕
17、设计的机械手,可转动、作抛掷、摆动、紧握等动作。机械手配有特制的手术器械,可以使医生从lcm的切口进入病人体内进行手术。1.2.3 国内研究现状国内方面,北京航空航天大学与清华大学、解放军海军总医院合作,在国内率先开展医用机器人领域的研究与开发,研制的机器人辅助无框架脑外科立体定向手术系统,己成功完成400余例临床手术。国内其它单位也先后开展了医疗外科机器人的研究。哈尔滨工业大学研究了骨骼矫形机器人,机器人采用并联机构;沈阳自动化研究所正在开发鼻部矫形机器人;北京口腔医院和北京理工大学合作研究了辅助牙科机器人。与国外相比,国内医疗外科机器人的研究规模和范围较小,开发的医用机器人功能相对简单,能
18、够执行的手术种类少,特别是开展临床实验研究和应用示范的例子很少。1.3 本论文课题来源南京理工大学科技园国康机器人有限公司联合南京理工大学机械工程学院,攻关课题 无框架立体定向手术神经外科机器人手术系统的机器人结构设计部分。面向国内立体定向神经外科的应用背景,研制开发无框架立体定向手术机器人化导航及操作平台,即无框架立体定向神经外科机器人手术系统(CRAS Computer and Robot Assisted Surgery)。微创手术治疗,利用机器人技术、信息技术与外科技术的有机结合,解决目前传统手术手段中存在的难题,如提高手术精度和质量、减小对患者健康组织破坏程度、避免术后功能障碍等。系
19、统由机器人本体及其控制系统、人机交互装置、手术规划软件三部分组成。该系统融合多种图像信息,提供实时、立体视觉感知;利用遥操作技术,实现远程医疗、指导和培训,同时可在有辐射手术环境中能够使手术医生免受射线伤害。1.4 本论文研究内容医疗外科机器人系统是用于医疗外科手术,辅助医生进行术前诊断和手术规划,在手术中提供可视化导引或监视服务功能,辅助医生高质量地完成手术操作的机器人集成系统,与传统的工业机器人系统在性能指标上有很大的差异。基于此,本文要完成的主要工作如下:1 研究国内外该领域发展的前沿资讯,探索产品的设计思想。2 研究无框架立体定向神经外科手术机器人系统的机器人机构设计3 运用精密仪器产
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