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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四 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：0101400136学院(系):机械工程学院专 业:工业工程题 目:无框架立体定向神经外科手术机器人运动学分析与人机工程、质量管理教授指导者： (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）中文摘要摘要医疗外科手术机器人为一个多学科交叉研究领域,涉及机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创伤手术等诸多内容。在辅助脑立体定向手术方面,外科手术机器人由于具有精确性高、可重复性好、安全性强等优点,更成为国际医学界研究的热点。本论文
2、主要对以下内容作了详细的论述：首先对医疗外科机器人的国内外发展状况，以及无框架立体定向手术机器人进行了概述性描述，并介绍了其相关的关键技术。其次进行了运动学分析，对手术机器人子系统中SR-1型手术机器人采用D-H方法设计了机器人的连杆参数，建立了关节连杆坐标系。求出关节机器人的运动学正解和反解，通过MARK点注册构造出脑部三维图像坐标系向患者坐标系映射的矩阵以及患者坐标系向机械臂坐标系映射的矩阵。然后，在此基础上得到机器人手术作业任务，并进一步分析了SR-1型手术机器人的手术运动路径，利用三次样条法对机器人的运动路径进行了轨迹规划。最后，根据人机工程学人体测量数据，提出了一些设计要求，阐述了机
3、器人的生产类型及其特点，另外，说明了质量管理在机器人技术要求上的应用。关键词 医疗外科机器人 D-H方法 注册 轨迹规划 人机工程学 质量管理 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 49 页毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The no frame directional neuro-surgery surgical robot -Kinematical analyses and ergonomics、quality management AbstractMedical surgery robot is a multiple disciplines crossed field,
4、involve to robot telecommunication、image dealt、actuality simulate、tiny wound operations etc. In the brain-assisted solid directional surgery, because of the surgery robots high accuracy、well repeatability、strong security, it has become a research focus in the international medical realm.In this pape
5、r, the major works involved are as follows:At first, this article gives a presentation of medical surgery robot developments and a brief introduction of no frame solid directional robot and its related crucial technologies.Secondly, this paper has conducted kinematical analyses, designed the robots
6、link parametric using the D-H method, computed manipulator direct kinematics and manipulator direct inverse kinematics. By the MARK point registration, constituted out the map matrix from the three-dimensional coordinate system to the patient coordinate system, and the map matrix from the patient co
7、ordinate system to the manipulator coordinate system.Then, based on these, drawing the robots task, analyzing the path of the robot, accounting the trajectory of the robot using the cubic interpolation spline fit method. At last, in the light of anthropometrical date of ergonomics, raises some desig
8、n specifications, gives a presentation of the classification of production and feature of the robot, and the application of quality management in the robots specification.Keywords: Medical surgery robot, The D-H method, Registration, Trajectory planning, ergonomics, Quality management目 录1 绪论11.1 课题背
9、景 1 1.1.1 无框架立体定向手术机器人的发展及其现状2 1.1.2 无框架立体定向手术机器人的研究热点3 1.2 基于标志点的无框架神经导航手术机器人系统 41.2.1 SR-1型手术机器人系统硬件组成 51.2.2 SR-1型手术机器人系统软件结构 5 1.3 本文的研究内容和组织结构52 机器人连杆参数和连杆变换62.1 概论62.2 机器人D-H连杆坐标系72.3 连杆结构参数82.4 机器人连杆变换83 机器人运动学方程及其求解 103.1 机器人运动学正解方程 103.2 机器人运动学反解方程 124 手术规划与注册 174.1 手术规划 174.2 手术校准 174.3 患者
10、空间到机器人空间的映射原理 195 机器人轨迹规划 235.1 概述 235.2 分段三次样条函数的轨迹规划法 255.2.1 三次样条函数的轨迹规划法255.2.2 轨迹规划算法的描述255.2.3 算法步骤285.3 最优轨迹的确定 295.3.1 动力学性能指标295.3.2 机器人的雅可比31 6 人体测量、生产类型及质量管理 31 61 人体测量 36 62 SR-1 型手术机器人的生产类型3763 质量管理 41结论 44致谢 45参考文献 461 绪论11 课题背景大脑是人体最复杂最重要的器官，千百年来，各种脑病一直是困扰中外医学界的一大难题。据统计，全世界脑病患者约占总人口的3
11、%，我国脑病患者总数约为5000万至6000万人，而且这些数字仍呈上升趋势。过去，颅内手术是外科手术的禁区。随着医疗影像学技术的发展，神经外科手术这样进行：外科大夫由CT/MRI图片想象出病灶的三维位置，然后离开影像资料，在病人头皮上划出皮肤切口和骨窗位置，外科医生的操作速度必须慢，步步为营，直到暴露出病灶或重要神经血管结构。这样进行手术，外科医生凭经验和判断来指导手术操作，定位存在的极大的误差，皮肤切口常做得很大，在术中如何避开重要的功能区、神经及血管也存在困难1。此后出现了框架式立体定向仪，见图1.1(a)，病人被局部麻醉后，把立体定向框架固定在病人头部做CT/MRI扫描，根据影像确定手术
12、穿刺靶点的位置。手术中依靠框架的引导，把手术器械准确地送达指定位置。但缺点是机械框架会给病人和医生的手术造成极大不便，不能实时显示手术器械的空间位置。给病人带来一定痛苦，且有时可影响开颅手术操作及显露，对于颅后凹及颅底手术有其局限性，尤其是不能随时将术中的解剖结构及病变情况反馈给手术医师，限制了其应用范围2。 (a) 有框架式立体定手术 (b)无框架立体定向机器人手术图1.1 有框架立体定向手术与无框架立体定向手术的比较这就要求提供一种新的技术，使医生能对手术部位各种解剖、功能和血管信息有一个总体、直观、准确的了解，来指导术前计划、术中选择路径和术后治疗，而且要求手术创伤尽可能的小，手术时间短。这就使外科手术导航技术的需求变得日益重要。随着技术的发展，人们越来越希望将计算机、机器人技术应用到手术外科中。现代神经影像诊断技术、立体定向外科和显微外科等技术的发展为开发手术外科机器人提供了必要的技术支持。图1.1(b)是现代无框架立体定向机器人手术图。111 无框架立体定向手术机器人的发展及其现状
