柔索驅動式主動柔性針結構設計及運動控制研究
發(fā)布時間：2021-01-29 03:43
目前,微創(chuàng)介入是近年來迅速發(fā)展起來的一門嶄新的醫(yī)療技術,在臨床手術中廣泛應用,并成為熱點學科。采用“柔性針”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“剛性針”是一個開創(chuàng)性的思維,克服了剛性針存在的上述弊端。然而,斜尖柔性針也存在瓶頸問題:彎曲半徑相對固定,從而導致矯正路徑偏差能力受到限制和穿刺路徑形式不夠靈活的問題。提出一種柔索驅動的主動柔性針,通過主動驅動斜尖進行擺動,改變其與組織的作用力的大小和方向,從而改變柔性針在組織中穿刺的彎曲半徑,有效地解決了被動柔性針的瓶頸問題。首先,對柔索驅動主動針的結構進行設計與優(yōu)化。與普通的穿刺針不同,主動柔性針設計是由外針和兩側開槽的內針組成,并且內針槽內還有兩根細細的柔索穿過并牽引著針尖,他們中間的結構和受力比較復雜,彎曲變形時會存在內外針柔索之間的耦合。研究主動柔性針的結構優(yōu)化,以彎曲的靈活性和受力變形的穩(wěn)定性為目標,通過ANSYS靜力學仿真和實驗的方法,對主動柔性針的結構進行優(yōu)化。主要分為針尖傾斜角的優(yōu)化,針頭長度的優(yōu)化,內針開槽結構的分析與驗證。其次,從材料力學性能入手,深入研究柔索的力學特性,選取合適材料,在此基礎上建立柔索的傳動特性模型。對柔索傳動特性的關鍵問題進...
【文章來源】：哈爾濱理工大學黑龍江省
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
柔性針穿刺路徑矯正Fig.1-1Flexibleneedlepunctureroutecorrection本文提出一種柔索驅動的主動柔性針，原理圖如圖1-2所示，將斜尖與針軸拆分成兩部分，通過鉸鏈連接，并通過“雙套柔索”來驅動斜尖進行擺動，改
圖 1-1 柔性針穿刺路徑矯正Fig.1-1 Flexible needle puncture route correction本文提出一種柔索驅動的主動柔性針，原理圖如圖1-2所示，將斜尖與針軸拆分成兩部分，通過鉸鏈連接，并通過“雙套柔索”來驅動斜尖進行擺動，改變其與組織的作用力的大小和方向，從而改變柔性針在組織中穿刺的彎曲半徑，有效地解決了被動柔性針的瓶頸問題。提出的“主動柔性針”具有以下優(yōu)勢：（1）矯正路徑偏差能力強：相比于被動柔性針，“主動柔性針”能穿刺出更小半徑的彎曲路徑，打破了傳統(tǒng)被動柔性針的單一曲率路徑的束縛，具有強大的矯正偏差路徑的能力；（2）穿刺路徑靈活度高：主動柔性針能穿刺出不同曲率的路徑，可以根據(jù)實際情況，通過合理的規(guī)劃，將不同曲率的路徑進行空間連接，實現(xiàn)更為靈活和優(yōu)化的路徑
柵(FBG)的形狀重建，在插入時測量針尖的位置。結果表明，該針可以從插入軸向20毫米的目標方向引導，深度為100毫米，平均目標誤差為2.02毫米。他提出了一種針的模型（如圖1-3），針有一個實際的尖端，針錐形的頂端安裝在一個球關節(jié)上。在針的縱軸上的方向決定了彎曲的方向和彎曲的量[9，10]。圖 1-3 驅動端針由一個靈活的軸和一個錐形的尖端組成Fig.1-3 The drive pin consists of a flexible shaft and a tapered tipTang L設計了一種符合避障和路徑規(guī)劃任務的柔性針。在三維空間導航中，采用磁力輔助的方法可以幫助實現(xiàn)更靈活的旋轉針角度。同時，研究了針在插入時的屈曲效應。通過選擇針的適當長度和半徑的組合，可以避免屈曲效應，
【參考文獻】：
期刊論文
[1]斜尖柔性針穿刺軟組織受力建模及測量方法研究[J]. 張永德,石開銘,趙燕江,楊吉超,劉佳,黃磊. 儀器儀表學報. 2018(06)
[2]精密柔索傳動技術研究現(xiàn)狀及分析[J]. 范大鵬,謝馨,祁超,范世珣,張連超. 光學精密工程. 2018(05)
[3]基于改進RRT算法的套管柔性針運動規(guī)劃[J]. 趙燕江,黃磊,杜海艷,張永德,胡海龍. 儀器儀表學報. 2017(03)
[4]應用TRIZ理論的套管柔性針穿刺機構設計[J]. 趙燕江,王瑞雪,張永德,武文強,王大斌. 哈爾濱理工大學學報. 2016(05)
[5]機器人輔助靶向穿刺手術關鍵技術綜述[J]. 趙洪華,李國平,曹樹坤,艾長勝,孫選. 濟南大學學報(自然科學版). 2015(06)
[6]雙套索系統(tǒng)力矩傳動特性與摩擦補償分析[J]. 吳青聰,王興松,杜峰坡,陳林. 機械工程學報. 2015(05)
[7]雙套索耦合傳動系統(tǒng)建模與分析[J]. 陳林,王興松. 機械工程學報. 2014(19)
[8]套索傳動特性建模分析[J]. 奚如如,王興松,魯婧,盛陳. 機械工程學報. 2012(17)
[9]斜尖柔性針在軟組織中的二維路徑規(guī)劃[J]. 張永德,趙燕江,陳浩. 機器人. 2011(06)
[10]柔性針穿刺路徑規(guī)劃綜述[J]. 張永德,趙燕江,涂飛,陳浩,張艷華. 哈爾濱理工大學學報. 2011(04)
博士論文
[1]精密柔索傳動機理與設計方法研究[D]. 魯亞飛.國防科學技術大學 2013
碩士論文
[1]新型斜角柔性針的設計及穿刺軌跡規(guī)劃研究[D]. 王力鋆.哈爾濱工業(yè)大學 2013
本文編號：3006211
【文章來源】：哈爾濱理工大學黑龍江省
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
柔性針穿刺路徑矯正Fig.1-1Flexibleneedlepunctureroutecorrection本文提出一種柔索驅動的主動柔性針，原理圖如圖1-2所示，將斜尖與針軸拆分成兩部分，通過鉸鏈連接，并通過“雙套柔索”來驅動斜尖進行擺動，改
圖 1-1 柔性針穿刺路徑矯正Fig.1-1 Flexible needle puncture route correction本文提出一種柔索驅動的主動柔性針，原理圖如圖1-2所示，將斜尖與針軸拆分成兩部分，通過鉸鏈連接，并通過“雙套柔索”來驅動斜尖進行擺動，改變其與組織的作用力的大小和方向，從而改變柔性針在組織中穿刺的彎曲半徑，有效地解決了被動柔性針的瓶頸問題。提出的“主動柔性針”具有以下優(yōu)勢：（1）矯正路徑偏差能力強：相比于被動柔性針，“主動柔性針”能穿刺出更小半徑的彎曲路徑，打破了傳統(tǒng)被動柔性針的單一曲率路徑的束縛，具有強大的矯正偏差路徑的能力；（2）穿刺路徑靈活度高：主動柔性針能穿刺出不同曲率的路徑，可以根據(jù)實際情況，通過合理的規(guī)劃，將不同曲率的路徑進行空間連接，實現(xiàn)更為靈活和優(yōu)化的路徑
柵(FBG)的形狀重建，在插入時測量針尖的位置。結果表明，該針可以從插入軸向20毫米的目標方向引導，深度為100毫米，平均目標誤差為2.02毫米。他提出了一種針的模型（如圖1-3），針有一個實際的尖端，針錐形的頂端安裝在一個球關節(jié)上。在針的縱軸上的方向決定了彎曲的方向和彎曲的量[9，10]。圖 1-3 驅動端針由一個靈活的軸和一個錐形的尖端組成Fig.1-3 The drive pin consists of a flexible shaft and a tapered tipTang L設計了一種符合避障和路徑規(guī)劃任務的柔性針。在三維空間導航中，采用磁力輔助的方法可以幫助實現(xiàn)更靈活的旋轉針角度。同時，研究了針在插入時的屈曲效應。通過選擇針的適當長度和半徑的組合，可以避免屈曲效應，
【參考文獻】：
期刊論文
[1]斜尖柔性針穿刺軟組織受力建模及測量方法研究[J]. 張永德,石開銘,趙燕江,楊吉超,劉佳,黃磊. 儀器儀表學報. 2018(06)
[2]精密柔索傳動技術研究現(xiàn)狀及分析[J]. 范大鵬,謝馨,祁超,范世珣,張連超. 光學精密工程. 2018(05)
[3]基于改進RRT算法的套管柔性針運動規(guī)劃[J]. 趙燕江,黃磊,杜海艷,張永德,胡海龍. 儀器儀表學報. 2017(03)
[4]應用TRIZ理論的套管柔性針穿刺機構設計[J]. 趙燕江,王瑞雪,張永德,武文強,王大斌. 哈爾濱理工大學學報. 2016(05)
[5]機器人輔助靶向穿刺手術關鍵技術綜述[J]. 趙洪華,李國平,曹樹坤,艾長勝,孫選. 濟南大學學報(自然科學版). 2015(06)
[6]雙套索系統(tǒng)力矩傳動特性與摩擦補償分析[J]. 吳青聰,王興松,杜峰坡,陳林. 機械工程學報. 2015(05)
[7]雙套索耦合傳動系統(tǒng)建模與分析[J]. 陳林,王興松. 機械工程學報. 2014(19)
[8]套索傳動特性建模分析[J]. 奚如如,王興松,魯婧,盛陳. 機械工程學報. 2012(17)
[9]斜尖柔性針在軟組織中的二維路徑規(guī)劃[J]. 張永德,趙燕江,陳浩. 機器人. 2011(06)
[10]柔性針穿刺路徑規(guī)劃綜述[J]. 張永德,趙燕江,涂飛,陳浩,張艷華. 哈爾濱理工大學學報. 2011(04)
博士論文
[1]精密柔索傳動機理與設計方法研究[D]. 魯亞飛.國防科學技術大學 2013
碩士論文
[1]新型斜角柔性針的設計及穿刺軌跡規(guī)劃研究[D]. 王力鋆.哈爾濱工業(yè)大學 2013
本文編號：3006211
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