● 摘要
机器人技术在矫形外科手术中的应用是一个有巨大发展潜力的研究领 域。对于传统外科手术来说，机器人技术、医疗图像技术及其它先进 科学技术的引入是一个革命性的创新。上世纪九十年代初，为了解决 矫形外科手术中的问题，出现一个新的研究领域 计算机辅助矫形 外科手术（CAOS）。它将机器人、医学成像、虚拟现实等先进科学技 术综合应用到矫形外科手术中，以达到克服传统矫形外科手术中存在 问题的目的。 骨折手术是矫形外科手术中最常见的一种。传统的治疗手段存在很多 缺点，例如：病人的创伤大、手术时间长、X射线辐射时间长等。基 于传统骨折手术中的种种缺陷，针对髓内钉锁钉手术，开发了一套矫 形外科机器人系统。系统涉及到医学成像、机器人、计算机和空间配 准等先进技术。 本文详细地介绍机器人的控制系统的设计、实现。考虑到需完成的控 制任务和系统的安全性、可靠性，机器人的控制系统采用由主控计算 机和PLC组成的双层控制结构，实现对步进电机的精确位置控制。 另外，本文还设计并分析了五自由度机器人的结构。首先，根据机器 人末端完成导航任务的特点，选择五自由度PPRRR型结构；然后计算 其运动学正反解及工作空间；最后，对此机器人结构的灵活性进行分 析。 最后描述了机器人系统集成后的调试情况，以及对机器人的结构参数 和关节零位进行标定，并且模拟实际手术环境，做了股骨髓内钉远端 锁钉手术试验。 本文所设计矫形外科机器人系统，在模拟手术室的环境中，成功地完 成了导航试验，并且系统的精度满足股骨髓内钉手术的要求。此系统 的设计与成功实现为实际临床应用和更加复杂的矫形外科机器人系统 的研究积累了大量的设计经验，为我国矫形外科机器人技术的进一步 发展打下一定的基础。