高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound-HIFU)是近年兴起的无创肿瘤治疗手段,但传统的HIFU治疗设备效率不高,定位和治疗精度差,一直制约着HIFU技术在肿瘤治疗领域的发展.所以如何提高HIFU技术的效率和精度是目前的研究重点.本文将机器人技术和HIFU技术结合起来,提出了一种新的HIFU手术机器人系统,并以此机器人为平台进行了深入的术前规划研究,使HIFU技术在机器人学理论的指导下更加准确和高效的治疗肿瘤.本文主要研究了以下几个方面的内容: 1.HIFU手术机器人系统的研制.本文提出一种适合于治疗人体躯干与四肢部位肿瘤的HIFU手术机器人系统.通过分析HIFU机器人治疗过程,确定了HIFu机器人的两大基本功能一定位与治疗.结合人体躯干和四肢部位的特征,分析了实现不同功能时机器人所必须具备的自由度和机构形式,提出了HIFU机器人的结构.根据HIFU机器人的使用环境,确定了HIFU机器人的执行器(HIFU生成装置)以及相关的B超监测机构的形式.2.HIFU机器人参数合理性的研究.根据HIFU机器人的结构特征,使用松协调多机器人系统理论对其运动学建模,求解得到HIFU手术机器人系统的工作空间.通过对工作空间的分析,得出HIFU手术机器人系统的参数合理性结论,并确定了在治疗不同部位肿瘤时病人的姿态. 3.HIFU手术机器人系统术前定位规划的研究.本文通过对HIFU机器人系统工作空间特点的分析,提出一种在工作空间中使用定位区域球简化表示肿瘤的基本位置和姿态的方法.并且通过该定位区域球中心与人体表面点的最近邻近查询,确定了在定位过程中HIFU焦点必须顺序通过的起始位姿、中间位姿和终了位姿.根据工作空间的特点和连续路径的要求,本文提出SE(2)空间的De casteljau算法,根据不同连续性特征方程,对三个基本位姿进行插值,生成在衔接点具有不同连续性的组合Bezier曲线路径,并最终确定了在定位过程中使用C<2>连续组合Bezier定位路径. 4.HIFU手术机器人系统术前肿瘤治疗路径规划.本文根据生物组织的HIFU致热原理,由焦平面和轴平面的温度场分布推导出一个简化的椭球焦点模型.根据肿瘤在工作空间中的表示方法,使用基于定位位姿的肿瘤分解方法,将肿瘤分成不同段.对每段肿瘤层根据最小正三角形圆填充方法,以焦点模型作为基本治疗单元,对分段肿瘤实体进行离散分割与填充,确定肿瘤被分割和填充后各个焦点的形心位置,以这些形心点坐标作为治疗规划的路径点.根据已经求得的路径点,使用基于TSP的路径点序列化方法,得到最后的路径点序列,通过扫描这一序列实现肿瘤烧蚀治疗. 5.HIFU手术机器人系统的定位轨迹控制.本文通过确保超声通道畅通作为轨迹规划过程的约束条件之一,结合机器人的最优能量目标函数,得到一个轨迹规划优化模型.采用Hopfield网络来求解优化模型,得到HIFU机器人系统各个关节的轨迹.在得到轨迹规划结果后,本文采用模糊控制的方法来确认关节电机力矩.