乳腺癌伽玛刀机器人换源关键技术研究

分类号学号M200970560学校代码10487密级硕士学位论文乳腺癌伽玛刀机器人换源关键技术研究学位申请人：苗学刚学科专业：机械制造及其自动化指导教师：邓建春副教授答辩日期：2012年1月12日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchontheKeyTechnologiesofUsingRobottoReplaceRadioactive-sourcesofGamma-knifeEquipmentforBreastCancerCandidate:MiaoXuegangMajor:MechanicalManufacturingandAutomationSupervisor:Assoc.Prof.DengJianchunHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJan,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。I摘要乳腺癌伽玛刀是一种最新研制的专门用于治疗女性乳腺癌的放射治疗设备，其放射源为Co-60，具有较强的放射性，由于放射源的强度会随着时间不断衰减，需要定期更换放射源，但人工换源会对工作人员产生辐射伤害。因此，采用机器人代替人力更换放射源显得非常有必要，机器人换源既可以避免工作人员在换源过程中遭受辐射伤害，又可以提高换源的效率和安全性。针对这一实际要求，本文研究了机器人换源的关键技术，主要内容包括：(1)深入总结了伽玛刀技术和工业机器人技术的发展历史与国内外研究现状。(2)根据乳腺癌伽玛刀的结构特点和工作原理，分析了机器人换源的主要步骤和面临的关键技术，针对乳腺癌伽玛刀的特点和机器人换源面临的关键技术，研发了乳腺癌伽玛刀机器人换源系统，设计了具体的换源装置与设备。(3)根据换源机器人的结构特点，建立机器人D-H连杆坐标系，在机器人D-H连杆坐标系的基础上建立机器人运动学方程，深入研究了机器人的正向运动学与逆向运动学及其求解方法。(4)研究了机器人轨迹规划的一般性问题，详细分析了机器人换源的工作过程，根据机器人换源作业要求规划了机器人换源轨迹，确定轨迹规划中的关键点，计算机器人在关键点处的位姿矩阵，利用MATLAB编程反解机器人在关键点处的关节变量。(5)在换源机器人运动学分析与轨迹规划的基础上，研究利用COSMOSMotion仿真机器人换源过程的方法，实现了机器人换源运动仿真。根据仿真结果，分析了换源过程的干涉情况，绘制了机器人运动轨迹以及机器人各关节的运动学曲线，通过分析机器人运动学曲线，研究了机器人换源运动，为研究机器人真实换源提供了支持和参考。关键词：乳腺癌伽玛刀机器人换源系统运动学轨迹规划仿真IIAbstractGamma-knifeforbreastcancerisanewlydevelopedmedicalequipment,whichisspecialforcuringbreastcancer.Theradioactivesourcesofbreastgamma-knifeisCo-60,whichisaradioactivesubject,Becauseofitsradioactiveintensitywillbeattenuatedwithtimecontinuously,andneedtobereplacedperiodically,buttheprocessofreplacingtheradioactivesourceswilldamagethehealthofstaff.Therefore,usingrobottoreplacetheradioactivesourcesisverynecessary,whichcanbothavoidradioactivedamage,andcanimprovetheefficiencyandsafety,basedonthepractice,researchthekeytechnologiesofusingrobottoreplaceradioactive-sourceofgamma-knifeequipmentforbreastcancer,mainlyincluding:(1)SummarizethedevelopmenthistoryandcurrentresearchofGamma-knifeandrobot.(2)AccordingtothestructureandprincipleofGamma-knifeforbreastcancer,analyzethemainstepsofusingrobotreplaceradioactive-sourcesandthekeytechnologies,accordingtothecharacteristicsoftherobotandthekeytechnologiesofreplacingradioactive-sources,researchanddesigntheoverallsolutionsandspecificdevicesandequipmentsofusingrobotreplaceradioactive-sources.(3)Analyzerobotcoordinatetransformationandposematrixdescription,accordingtothestructurecharacteristicsoftherobot,establishtheD-Hlink-polecoordinatesystemandrobotkinematicsequations,researchrobotkinematicsandtheinversekinematicsproblemsandtheirsolvingmethods.(4)Researchthebasicknowledgeofrobottrajectoryplanning,analyzetheprocessofrobotreplacingradioactivesources,planrobotmotiontrajectoryofreplacingradioactivesources,andcalculatetheposematrixofkeypointinthepath,useMATLABprogrammingtosolvethejointsvariables.(5)Onthebaseofrobotmotionanalysisandtrajectoryplanning,researchthemethodofusingCOSMOSMotiontosimulatetheprocessofrobotreplacingradioactive-sources,Realizedthesimulation.Accordingtotheresultofsimulation,analyzetheinterference,drawtherobottrajectoryandkinematicscurvesofeachjoint,throughtheanalysisoftherobotkinematicscurve,researchthemotionofrobotreplaceradioactive-sources,andprovidesupporttothenextstepinresearchingrealrobotreplacingradioactivesources.Keywords:Gamma-knifeforbreastcancer;Robot;Systemofreplacingradioactive-sources;Kinematics;Trajectoryplanning;SimulationIII目录摘要....................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II1绪论1.1课题来源......................................................................................................(1)1.2伽玛刀的工作原理与特点..........................................................................(1)1.3伽玛刀技术的发展历史与现状..................................................................(2)1.4机器人技术的发展历史与现状..................................................................(4)1.5本论文的主要内容......................................................................................(6)2机器人换源系统与换源装置设计2.1乳腺癌伽玛刀结构特点与工作原理..........................................................(7)2.2乳腺癌伽玛刀机器人换源步骤与关键技术..............................................(9)2.3机器人换源系统方案与换源装置设计....................................................(10)2.4本章小结....................................................................................................(21)3换源机器人运动学分析3.1机器人D-H连杆坐标系..........................................................................(22)3.2换源机器人运动学方程............................................................................(24)3.3换源机器人正向运动学分析..............................................