题目：骨盆复位机器人系统研究

骨盆骨折是一种严重的创伤，致死率极高，在地震、车祸等灾害中较为常见。传统的骨盆复位方法，在术中通过多次拍摄X光，确定复位路径，医生和患者接受的辐射量大，且医生通过二维图像无法掌握精确的骨折状态信息，给路径规划带来困难；当发生不稳定性骨折时，还需要开放式复位手术，对病患造成的创伤大，医生的手术强度大，极易造成复位不良。针对上述问题，本文设计了基于CT图像的计算机辅助骨盆复位的机器人系统，协助医生完成微创骨盆复位手术，达到精确复位。本文将从系统的总体方案、机械结构、控制平台及软件模块四个方面展开研究介绍。首先，针对有限的手术空间，设计了骨盆复位系统的组成和整体布局，实现了机器人操作空间与医生操作空间的相容性。根据该系统的总体布局结构和骨盆复位手术操作流程，设计了系统的总体实施方案。其次，针对骨盆手术的临床应用环境，建立了骨盆骨折模型，分析了临床需要的复位力量200-300N，复位力矩20-30N•m，复位运动量±50mm和±15°，提出了复位精度需要达到3mm和2°的构型设计要求。针对临床应用环境和构型设计要求，设计了外固定架和串并联的机器人本体结构。根据机器人构型，分析了机构自由度，校核了静强度，并分析了机器人的正逆运动学，仿真出机构的工作空间，结合复位运动范围，计算出该构型各关节的运动行程。最终，验证了机器人构型能够满足骨盆骨折的临床复位要求。然后，搭建了控制系统平台，主要由六轴运动控制卡、直流伺服驱动器、直流伺服电机、编码器及光电和霍尔限位开关构成。通过编码器实现了控制系统闭环反馈，满足了高精度、智能化的系统控制功能，通过设置安全限位开关，提高了系统的安全性。最后，针对复位图像信息量不足导致复位精度不高的问题，提出了基于CT三维图像的虚拟复位方法。术前通过CT图像处理，重建出手术需要的三维骨盆模型和外固定架模型，术中利用ICP配准算法，完成了图像空间与手术空间的配准，通过三维图像的交互操作，实现了图像虚拟复位，根据机器人运动学方程计算出机器人坐标系下的复位参数，医生结合参考路径规划合理的手术路径后，下发指令，由控制模块解算出驱动机器人各关节的运动量实现复位运动，减小了医生操作难度。手术过程中实时监测机器人的运动状态，保证了系统安全性。术后通过对比健康状态时的骨盆和复位后重新扫描的骨盆图像，测量出关键部位的移位误差，实现了复位效果的评估。最终，通过模拟Tile C型不稳定骨盆骨折状态的模型骨实验，验证了系统精度能够达到3mm，符合设计要求和临床手术优的评估要求，从而验证了该系统的有效性和可靠性。