可穿戴并联骨折复位手术机器人设计与复位路径规划研究

作     者：温信然 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜志江

授予年度：2022年

学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：骨折复位 并联机器人 误差建模 ICP配准 碰撞检测 路径规划 

摘      要：近年来伴随着经济社会发展,人们娱乐出行等方式多样性改变,提高了创伤性骨科疾病的发病率。骨折复位手术机器人系统是一种智能化的骨折复位设备,具有高精度、操作灵活等特点。通过机器人辅助复位,能够协助医生更好的实现骨折复位的准确规划、实时引导,使得患者有更好的复位效果。本文针对骨折复位手术中存在的问题,设计骨折复位手术机器人,并对骨折复位的路径规划进行研究。首先,针对骨折复位手术的临床需求,设计集成了骨折复位机器人系统。分析胫骨手术的复位流程,确定了机器人系统的方案需求。以自由度的需求、精度要求和工作空间等为目标,根据6-UPS并联机构构型,设计了机器人的结构。推导了机器人的运动学模型,并对运动学的正逆解行了仿真分析。在运动学模型的基础上,推导了机器人的误差模型,设计了机器人的误差标定方法。其次,针对断骨的碰撞检测问题,提出了基于八叉树精准划分的碰撞检测方法。通过八叉树最小单元格是否含有两部分断骨数据进行快速筛选,之后通过模型的最小单元三角面片是否相交判断是否碰撞,以保证碰撞检测精度。为了获取骨折复位的目标位姿,提出了基于健侧骨镜像的配准方法。根据胫骨的数据特征,赋予胫骨点云数据点不同的权重,采用改进的ICP的方法,完成断骨近端和远端与检测镜像骨的配准,从而获取复位的目标位姿。对胫骨表面点进行法线估计,求取每一点法向量。基于点云点的距离阈值和法向量与力线方向角度阈值两个条件,获取断骨的断面点云。之后,针对现有的断骨复位路径规划存在的问题,提出了基于骨折分型的路径规划方法。在胫骨的数据空间,采用改进RRT的方法,生成断骨远端的位姿变化路径,从而解决在机器人空间规划的路径引起医源性损伤的问题。基于临床对骨折类型的分型,对规划的空间范围进行不同的限定,避免医源性软组织损伤。设计了机器人的3D导航定位系统,建立CT系统—机器人系统—光学跟踪系统的映射关系,实现坐标转换。最后,搭建机器人的硬件平台,并开发了相应的控制系统平台和软件系统平台。对机器人的重复定位精度进行测量,并对其运动学误差进行标定,基于计算的误差,完成运动学的补偿。对断骨的复位路径规划算法进行验证,设计扫描CT数据的实验平台,获取断骨模型和固定环等CT数据。基于获取的数据完成了复位的路径规划,并转换为机器人的位姿点,通过机器人进行断骨的复位操作。