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基本信息

作品名稱:
核磁共振環(huán)境下近距離粒子治療手術(shù)機器人設(shè)計
大類:
科技發(fā)明制作A類
小類:
機械與控制
簡介:

本作品以核磁共振環(huán)境下近距離粒子放射治療手術(shù)機器人為對象,涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域,屬于機械控制與醫(yī)學交叉的前沿學科。研究了機器人材料和驅(qū)動方式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學分析與驗證、控制系統(tǒng)設(shè)計、視覺采集系統(tǒng)搭建等方面內(nèi)容,輔助針刺軌跡優(yōu)化及軟組織動態(tài)仿真等相關(guān)項目的研究,并成功運用于仿生軟組織針刺試驗驗證。

詳細介紹:

本作品為核磁共振環(huán)境下近距離粒子治療手術(shù)機器人設(shè)計,系本科生作品;在作品設(shè)計制作過程中,參賽作者共申請專利3項,其中發(fā)明專利2項,實用新型1項,發(fā)表論文3篇,均為核心期刊,其中一篇為SCI檢索,兩篇為EI檢索;本作品先后與市腫瘤醫(yī)院、市人民醫(yī)院合作,并得到有關(guān)部門的大力支持。本作品同時得到了醫(yī)療手術(shù)機器人領(lǐng)域的國內(nèi)外相關(guān)專家的指導和肯定。
本作品以核磁共振環(huán)境下近距離粒子放射治療手術(shù)機器人為對象,涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域,屬于機械控制與醫(yī)學交叉的前沿學科。研究了機器人材料和驅(qū)動方式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學分析與驗證、控制系統(tǒng)設(shè)計、視覺采集系統(tǒng)搭建等方面內(nèi)容,輔助針刺軌跡優(yōu)化及軟組織動態(tài)仿真等相關(guān)項目的研究,并成功運用于仿生軟組織針刺試驗驗證。
為了滿足核磁兼容性的要求,整套機構(gòu)采用高強度工程塑料聚甲醛(POM)制造。機器人采用模塊化設(shè)計思想,兩套Scott-Russell機構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動一個動平臺,即可實現(xiàn)平臺平動和轉(zhuǎn)動的兩個自由度。針刺手術(shù)的五個自由度被分配在平動層、抬升層和針刺層中執(zhí)行。將所設(shè)計模塊同時運用于機構(gòu)的平動層和抬升層,便可順利實現(xiàn)機器人預(yù)定方向的運動。其中,平動層由兩個滑塊擺桿機構(gòu)組成,每個滑塊擺桿機構(gòu)由一個核磁兼容氣缸控制,可以實現(xiàn)水平面內(nèi)的平動和擺動;抬升層由四個滑塊擺桿機構(gòu)組成,前后兩套相對獨立,每套由兩個滑塊擺桿機構(gòu)組成,共用一個氣缸控制,實現(xiàn)同步運動,而前后兩套分別由不同氣缸控制,實現(xiàn)異步運動;針刺運動,由絲杠滑軌機構(gòu),通過超聲波電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)針體在水平方向的直線進給運動。
平動層和抬升層的共同運動可實現(xiàn)機構(gòu)的上下、左右、傾斜、搖擺四個自由度的運動,從而實現(xiàn)針體空間位姿的調(diào)整;針刺層通過超聲波電機的低速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。
在控制系統(tǒng)設(shè)計階段,分別采用氣缸驅(qū)動來實現(xiàn)相對高速重載的運動;超聲波電機實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩低速均勻的針刺運動。針對氣缸驅(qū)動,本控制系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥來維持氣缸兩端氣壓的穩(wěn)定。PC將程序傳入PLC中來控制高速開關(guān)閥,從而調(diào)節(jié)各氣閥開關(guān)的狀態(tài),實現(xiàn)針體空間位姿調(diào)整。同時,為了保證氣缸運動的精度,在機構(gòu)轉(zhuǎn)軸位置安裝光學編碼器,將其所測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為氣缸運動位置反饋給PLC,構(gòu)成閉環(huán)控制。針對超聲波電機驅(qū)動,采用專門控制器來控制超聲波電機的旋轉(zhuǎn)速度、行程,同時配合氣缸的調(diào)整,以實現(xiàn)精確控制針刺軌跡的目的。

獲獎情況:

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 三等獎

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