● 摘要
牵引复位手术是骨折治疗的基本方法。传统的复位手术中X光的直接使用容易对医师和患者造成辐射伤害；且二维X光图像无法直观反映骨折信息，使得复位标准的确立困难，容易造成复位不良。传统的开放式复位手术也容易造成对周围组织的伤害，影响骨折愈合。本文设计的长骨复位机器人系统主要针对单侧小腿骨折，利用术前CT图像确立复位标准，采用串并联结构的机器人本体实现微创牵引复位操作，并设计了基于电气传动和液压传动的复合传动系统来驱动机器人运动。首先，设计了基于三维图像的长骨复位机器人系统的整体方法流程。分析了长骨复位手术的基本操作规范，提出了基于健侧CT三维图像的复位标准，通过串并联的机器人本体机构来实现微创牵引复位手术，并采用了基于复合传动的驱动系统。其次，根据系统设计流程，实现了机器人系统的本体结构设计、虚拟复位方法下的软件设计和复合传动平台及其硬件控制系统设计。具体包括设计串并联结构的执行机构，对六自由度并联机构建立数学模型并计算分析其有效的工作空间，选取机器人的结构参数；针对串并联结构设计了上位机软件中操作空间与图像空间的配准方法；设计了复合传动系统，对其控制系统进行了硬件平台实现，能够完成其控制功能，满足临床手术要求。最后，介绍了系统针对模型骨的操作流程，单自由度复合传动系统实验验证了传动系统的可行性；并联机构运动精度实验验证了机器人机构的操作精度；模型骨实验验证了系统的精度以及临床操作的可行性。本论文提出了串并联的机器人结构方式，实现了人体与机器人的方便对接以及CT扫描；介绍了基于健侧CT图像的复位标准方法，利用串联机构上的特征点来关联虚拟图像空间与实际操作空间；设计并验证了基于复合传动的驱动方式。该系统最终通过模型骨实验验证了可行性及复位精度。本文的研究为进一步验证该系统应用于临床手术的可行性奠定了技术基础。