基于SMA与绳索混合驱动介入主动导管研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical and Electrical Engineering Research on an Interventional Active Catheter Based on SMA and Cable Hybrid Driven A Thesis in Mechanical and Electrical Engineering by Zhang Jian Advised by Prof. Chen Bai Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering March, 2014   承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （必威体育官网网址的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期：   本学位论文的主要研究内容受以下基金项目资助 国家自然科学基金资助项目 项目批准号江苏省自然科学基金资助项目 项目批准号：BK2012798 江苏省产学研联合创新资金--前瞻性联合研究项目 项目批准号：BY2012011, BK2013003-10 南京市科委产学研计划 项目批准号：201204014 上海市科委科技计划项目 项目批准号：124119a3900 上海交大医工交叉项目 项目批准号：YG2011MS08  南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 微创介入手术以其对人体造成的创伤少、康复时间短、痛苦轻等优点，在当前的脑部及心 脏疾病的诊断与治疗中得到了日益广泛的应用。为弥补传统介入导管装置缺乏主动性、通用性 欠佳等不足，本文将记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA )与绳索驱动技术结合，研制一种用于 介入诊疗的模块化主动介入导管机器人。 主动弯曲导管由位于中心的骨架弹簧以及均匀布置在导管横截面方向上的三个 SMA 驱动 器或驱动绳索组成。介入导管机器人弯曲单元的运动可以通过控制其单元的驱动器来实现在任 意方向上的弯曲与转向。依据手术对象及环境的个体差异，可以通过多个弯曲单元的重构增加 其自由度，实现较大的弯曲角度。 在进行多关节主动导管运动学分析之前，运用 D-H 方法对单关节主动导管进行了运动学分 析。针对三关节导管运动学逆解问题，采用指数积法对三关节导管机器人进行了分析；针对获 得的运动学逆解的非线性方程，采用遗传算法对关节变量进行了求解，验证了运动学模型的准 确性。 根据 SMA 驱动器工作特点，设计了基于 ATMEGA16 单片机的介入导管机器人电阻反馈控 制系统。采用模块化的程序设计方法，对电阻反馈系统各个模块进行了设计调试；根据导管输 送功能设计了主动导管推动执行器，对推送力及推送速度进行了分析，最后通过试验验证了推 送执行器的安全可靠性。 为确定主动介入导管机器人设计参数，在常曲率圆弧假设下，详细推导了在已知介入导管 机器人弯曲角度下 SMA 驱动器输出位移和输出力计算方法。 制作并调试了 SMA 及绳索驱动控制电路板，测得了 SMA 驱动器长度与电阻的关系；研制 了介入导管机器人原理样机，对导管机器人弯曲角度与驱动器长度之间关系进行了实验分析。 结果表明，该主动介入导管机器人运动学模型准确，机构及控制系统设计方案切实可行。 关键词：主动介入导管，指数积法，运动学，形状记忆合金，绳驱动，电阻反馈 I 基于 SMA 与绳索混合驱动介入主动导管研究 ABSTRACT Minimally invasive interventional surgery serves as an effective solution in clinical surgeries, such as cardiac disease, abdominal organs disease etc, due to its merits of little trauma, fast recovery and less recurrence. Considering complex and changeable characteristics of the