摘要
骨科机器人凭借智能化、精准化、快速化、微创化的治疗理念和应用技术，在骨科临床手术中展现出巨大应用价值和广阔应用前景。骨科机器人通常用于对骨组织的去除操作，例如肢体截断、关节成型和骨肿瘤切除等过程，然而，其在临床实践中仍存在诸多局限。一方面，骨科机器人系统的空间配准算法精度和稳定性较差，配准的操作过程繁琐、耗时;另一方面，利用机器人控制手术刀具执行切削（如铣、钻、磨等）操作时，机器人位姿的设置尚无规可循，且未考虑位姿变化对于机器人结构刚度性能和加工稳定性的影响。因此，本文主要针对骨科机器人系统的空间配准方法和执行铣削操作时的机器人位姿选择方法进行优化研究，具体研究内容及相关工作如下: (1)对骨科机器人系统及其空间配准技术、机器人刚度性能及其加工应用问题的国内外研究状况进行阐述和分析，最终归纳并总结出骨科手术机器人系统在空间配准和铣削加工阶段的要求和目标。 (2)利用六自由度机械臂、光学跟踪定位导航系统和主轴系统等核心设备，构建骨科手术机器人系统，并详细阐述系统的各组成部分以及控制软件的设计方法、功能模块、实现方法和相关工作流程。 (3)提出一种改进的快速最近点迭代算法(FastIterativeClosestPoint，FICP)，并基于该算法对骨科机器人系统的空间配准过程进行优化。首先，建立骨科机器人系统中各子空间坐标系之间的转换关系。然后，将空间配准问题转化为稀疏点云（在患者空间中的骨表面采集）与密集点云（图像空间中骨骼模型点云）的准确、快速配准问题，为此，分别从初始配准、目标点云抽样和建立点云空间拓扑关系方面对传统的最近点迭代算法(IterativeClosestPoint，ICP)进行改进，并基于这种新算法实现图像空间与患者空间的配准。在此基础上，通过空间配准实验验证了FICP算法具有比传统ICP算法更好的配准精度、计算效率和稳定性。最后，通过控制变量实验结果分析了患者空间中的采样点数量和球形抽样区域对空间配准精度的影响。 (4)分别基于机器人静刚度映射模型和刀尖频响函数，依次提出机器人结构在刀尖处的静刚度性能评估指数(SSPEI)和动刚度性能评估指数(DSPEI)。首先，建立机器人的正向运动学模型。其次，基于柔性关节、刚性连杆的前提假设，建立机器人结构的静刚度映射模型，得到关节刚度值与工具末端刚度值的转换关系，推导并定义了静刚度性能评估指数。然后，通过刀尖频响函数测试实验验证了机器人结构的低频动态特性高度依赖于位姿变化，因此，基于频响函数的幅频特性函数的低频特性，提出了动刚度性能评估指数。对于工作空间内任意给定的机器人位姿，均可以利用上述方法分别对机器人结构在刀尖处的静刚度和动刚度性能进行评估，为机器人在铣削加工中的位姿选择提供了优化依据。 (5)提出一种基于最大刚度性能的机器人铣削加工位姿优化方法。首先，以最大化刚度性能评估指数为目标，同时利用与机器人运动学性能相关的约束条件，建立机器人铣削加工位姿的综合优化模型。然后，针对刀具末端位置和机器人功能冗余角优化选择问题，分别给出详细的加工位姿寻优算法。最后，通过机器人铣削加工实验案例，验证静、动刚度性能评估指数以及位姿优化方法的可行性、有效性和准确性，实验结果表明，利用刚度性能评估指数进行优化选后的机器人位姿，在进行铣削加工时，可以有效提升加工尺寸精度和工件表面质量以及降低机器人结构的低频颤振水平。 (6)结合国内外对相关问题的研究现状以及本研究的实际工作进展，提出了可以在未来开展的相关研究内容。
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