文档介绍：中图分类号: 论文编号:1028705 12-S017
学科分类号:080201

硕士学位论文

基于触须传感器的心脏
跳动位移仿真研究

研究生姓名李孟
学科、专业机械制造及其自动化
研究方向 CAD/CAM 技术
在特种加工中的应用
指导教师谷安讲师

南京航空航天大学
研究生院机电学院
二О一二年一月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Mechanical and Electrical Engineering

Research on Simulation of the Motion of
Beating Heart Based on Whisker Sensor

A Thesis in

Mechanical Manufacture and Automation
by

Li Meng

Advised by

Gu An

Submitted in Partial Fulfillment

of the Requirements

for the Degree of

Master of Engineering
January, 2012

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
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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
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(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)

作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
在机器人辅助心脏手术中,心跳会影响外科医生准确捕获手术目标点。为了实时测量心跳
位移,消除手术器械和心脏表面手术部位之间的相对运动,本文提出一种应用触须传感器测量
心脏跳动的方法。研究了触须传感器的工作原理,并运用 ANSYS/LS-DYNA 进行有限元仿真。
设计了连接触须传感器的 6 自由度机械臂,对机械臂进行运动学分析。基于虚拟样机技术进行
了传感器的轨迹研究。主要内容包括:
1. 设计了一种灵敏的柔性接触式传感器,测量过程中,传感器的尖端与心脏表面保持接触。
根据经典材料力学建立其力学模型,对触须传感器的测量心跳位移的原理进行了分析,并推导
出相应的理论公式。
2. 运用 ANSYS/LS-DYNA 建立了触须传感器和心脏有限元模型,进行心跳位移测量仿真,
读取相关仿真数据。同时利用计算公式进行理论计算,对仿真数据和理论计算结果进行对比分
析,验证了所提出方法的有效性。
3. 对触须传感器进行术前和术中路径规划。基于任务设计了连接传感器的 6 自由度机械手
臂,建立了该机械臂的运动坐标体系,进行运动学分析,得到触须传感器尖端(接触点)在机
器人辅助系统基坐标系下的坐标方程。
4. 运用 ADAMS 建立了连接触须传感器的机械臂虚拟样机,对触须传感器的尖端进行手术
路径规划仿真研究。在触须传感器的尖端加载驱动,实现了其在虚拟环境中按照设定的路径进
行动作,逆解得 6 自由度机械臂各个关节变量随时间变化的曲线。
关键词:触须传感器,有限元仿真,运动学分析,路径规划,逆解
I
基于触须传感器的心脏跳动位移仿真研究
ABSTRACT
In robotic assisted beating heart surgical procedure, heart motion can hamper the surgeon's
ability to effectively approach the target site. In this paper, a novel method was presented to measure
the motion of the heart with the whisker sensor, which designed for real-time accurate measuring
heart motion, and the robotic tools