天津大學(xué)專區(qū)
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(xué)交叉的前沿學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)交叉的前沿學(xué)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(xué)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(xué)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
無
