机器人种植牙手术实验系统的构建及其运动规划的研究.pdf

机器人种植牙手术实验系统的构建及其运动规划的研究 机器人种植牙手术实验系统的构建及其运动规划的研究 摘 要 牙齿的缺失影响了咀嚼、发音、容貌以及消化系统等功能，严重降低了患者 的生活质量。我国人口牙齿的缺失总量达 10.1 亿颗，虽然国际上将种植牙作为 缺牙首选的临床修复方式，但我国每年植入的种植体数量仅有200 万颗左右。目 前种植牙手术操作主要有自由手，静、动态导航引导三种方式，其中自由手操作 主要依赖医生经验，而静、动态导航引导手术仍然需要医生实施手术操作，自动 化程度以及手术的灵活性都有提高的空间。随着手术机器人技术研究的深入并在 脑外科、腹腔内手术等领域的广泛应用，机器人种植牙手术也得到了越来越多的 关注，其对于提高口腔种植技术的自动化和智能化水平具有重要的研究意义。目 前机器人种植牙技术的研究和应用都很初步，主要集中在前牙区的实验性研究， 对后牙缺失区域的机器人手术、手术定位以及机器人自主种植牙手术过程的运动 规划等问题还缺乏深入研究。 （1）本文通过分析种植牙手术需求，利用UR5 六自由度机器人以及机器人 开发平台ROS（Robot Operation System ）构建了一套机器人种植牙手术实验系统， 在此基础上结合种植牙临床特点对本系统的运动安全性方面进行分析与改进。 （2 ）分析种植牙手术空间的障碍物，并提出了种植牙手术场景的构建方法。 （3 ）将种植牙手术中的机器人运动划分为口腔外部、口腔内部以及备孔三 个运动阶段，分析机器人终端三种轨迹运动的控制方法，采用工作空间规划和笛 卡尔空间规划相结合的混合终端轨迹运动控制方式。 （4 ）在后牙缺失待种植区采用导板和定位支架相结合的定位方法，设计数 字化种植方案，并通过Magics 软件精确获取种植体在局部坐标系中的植入位置， 根据机器人末端执行器上的牙钻确定并反馈定位支架坐标，从而获取种植体在基 坐标下的植入位姿（位置和角度）。 （5 ）分析运动规划库 OMPL 中的算法，对比 RRT 、RRT_Connect 以及 RRT_Star 在三维空间场景的规划成功率和有哪些信誉好的足球投注网站速度，选择适用于机器人种植牙 的RRT_Star 算法完成自主式种植牙手术实验。 （6 ）搭建机器人种植牙实验平台，完成备孔实验，进一步采用高精度扫描 仪获取颌骨模型（含孔内标定杆），实现误差的测量，结果显示在植入位置偏差 I 浙江工业大学硕士学位论文 （专业型） 以及植入深度偏差的平均分别为1.038 mm ，0.264 mm ，满足临床要求，初步验 证了机器人种植牙手术实验系统的精度以及手术实验方法的可行性。 关键词：机器人种植牙手术，安全性，精确定位，运动规划 II 机器人种植牙手术实验系统的构建及其运动规划的研究 ROBOTIC EXPERIMENT SYSTEM CONSTRUCTION AND STUDY OF MOTION PLANNING FOR DENTAL IMPLANT SURGERY ABSTRACT Loss of teeth can affect chewing, pronunciation, appearance, and digestive system functions, seriously decreasing the quality of life of patients.The total number of missing teeth in Chinas population is 1.01 billion, Although dental implants are the preferred clinical repair method for patients with missing teeth in the world, the numb