这是一篇有关于机械工程的硕士论文辅导范文，本文构建了牙种植机器人系统和实验平台，以此为基础完成了个性化种植路径规划，全平台空间映射关系建立，术中种植轨迹规划，并通过实际种植实验验证了配准精度和方案整体可行性针对牙种植机器人的种植路径规划，平台定位系统转换与空间感知，以及实际备孔手术中的轨迹规划问题展开研究，搭建了集规划、感知、执行一体的牙种植机器人系统，并使用所构建的实验平台开展精度实验验证，基于 ROS 实现了平台仿真系统搭建，通过TCP 通信完成了规划轨迹复现。
目录
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
1 Introduction
1.1 研究背景(Background of the research)
目前，对于临床上出现的牙列缺损和牙齿缺失等口腔疾病，通过牙种植的方式进行修复仍是目前首选的医疗方案。相较于局部义齿修复等其他方案，种植牙可为患者提供接近于天然牙功能及形态的修复效果，而且治疗过程中不损伤邻牙，种植后稳定性好，舒适美观[1]。口腔种植通过植入患者骨组织中的类螺栓结构为整体提供支撑，使整体结构根植于病患牙床，在上部添加牙修复体以实现近似于天然牙齿的外部形态和咀嚼功能。其采用氧化锆等人工材料制为种植体，通过口腔手术的方式直接植入人体颌骨组织，得以实现无异物感，恢复效果稳定的牙列缺损治疗。然而根据 Straumann 的调查结果[2]，截止到 2020 年，我国每万人的牙种植数仅约 28 颗，远低于韩国的 632 颗，西班牙等国家的牙种植数目也均超百颗，可见中国的牙种植市场发展的巨大潜力。种植牙治疗的方式无不良反应且术后预后良好，但进行相关手术的技术门槛颇高，不仅需要无菌的手术环境和专业的手术用具，对操作医生的经验技术要求更是十分苛刻。现下自由手方式种植的精度主要取决于医师手感，临床手术的实际种植效果作对医生种植经验的依赖性极强。对于种植口腔内部牙位的复杂手术，几乎完全需要专业医师根据种植时的手感和经验对种植位置进行判断，难以直观观测种植位置和牙窝制备效果，实际风险相对较高且难以实现稳定的高精度种植操作。近年来，随着计算机技术的蓬勃发展，种植手术也逐渐智能化、现代化[3]。经研究发现，基于人工智能辅助种植手术在精准度与安全性上都有显著提高，可使种植体更接近于理想的目标位置[4][5]。由于机器人的高精度操作使其相较于人工种植具有巨大优势，口腔种植机器人成为临床种植的一种新方案，主要体现在以下几个方面：（1）机械手操作可避免医生手持时的晃动与偏移，大大提升种植过程中的安全性及后续效果；（2）机器人通过导航可以精确完成微创手术，缩小种植切口，减少医源性损伤和并发症的可能；（3）机器人视觉可以克服人眼灰度值依赖高的缺点，完成许多人眼无法达成的低亮度，高视觉阻碍的手术；（4）机器人能比人手更敏感的感应种植操作中扭矩，外力与误差变化，从而更快做出反应，提高种植精度；（5）机器人代替医务人员操作，可以减少职业暴露的发生，并减轻医师种植操作的工作强度。
1.2 课题研究目的及意义(Research purposes and meaning)
研究目的：结合当前对种植机器人相关研究多集中于提升相关种植精度与操作效率，未考虑到结合医疗数据分析实现种植路径规划与操作执行的态势，引入医疗数字图像的医疗诊断分析与种植路径数据提取及临床种植路径规划，通过全系统空间映射关系注册和牙种植机器人运动轨迹研究，达成更加智能，贴合病患生理条件的高精度种植操作。研究意义：目前国内种植牙手术需求旺盛，但牙种植医疗手术场景下的种植机器人种植目标仍然完全依赖专业医生给出，种植机器人操作较为盲目而缺乏自主规划执行系统。本文结合当下智能模型与机器人结合达成复杂任务执行与特种场景应用的趋势，通过整合医学影像建模、逆向工程设计、手术系统空间定位分析及多项式轨迹规划技术，构建了一套从病理模型重建到术中动态执行的闭环口腔种植机器人系统。通过 Mimics、Geomagic 等软件将 CBCT 影像数据转化为高精度三维病理模型，基于逆向工程生成的种植定位装置，实现了手术工具与病患牙体的完整贴合。通过轴线数据提取与回归方程分析完成个性化种植路径规划，采用回归方程数值分析的方式打破了医疗数据与医疗方案间的种植规划屏障。结合全系统空间信息注册的方式，实现了仿真空间，规划空间和真实手术空间的相互转换，使得种植效果可直接由规划方案映射至仿真空间与真实手术场景。基于 ROS 仿真环境实现的种植轨迹规划结合避障策略实现术中全程避障，并优化了机器人种植手术中的运动平稳性与顺滑性，通过虚拟空间结合空间映射与通信实现了规划轨迹到真实手术轨迹的直接表达。总体而言，本文基于数据分析实现的个性化种植路径规划，并采用全系统空间映射建立与和多目标轨迹规划达成了种植路径的术中表达，解决了当下机器人操作目标仍然完全依赖医生指导的痛点。
1.3 国内外研究现状(Research status at home and abroad)
1.3.1 口腔种植手术机器人发展现状
牙种植手术机器人是近些年来新兴的手术机器人分支，相较普通科室的手术机器人而言，牙种植机器人技术尚处于起步阶段[7]。但鉴于口腔种植机器人的高定位精度，可重复性和相关技术支持的逐渐完备，为早日将种植手术机器人应用于复杂的临床手术中，达成高效率，高精度的全自主种植，国内外众多学者对此课题进行了长久深入的研究。早在 2002 年，德国 Heidelberg 大学中的 Byief[8]等人就开始使用种植机器人通过钻孔导向的方式辅助种植牙手术备孔，相较于传统种植方案，该方案通过对患者上下颌骨的 CT数据进行分析，最终将目标种植位置转换至种植机器人的基座坐标系下，采用机器人的钻头导轨复现目标种植位置的路径方向和始末点位，从而达成患者口腔内种植体的准确植入。其采用机器人辅助手术的方式完成牙科种植手术，在实验种植的 48 颗种植体中，种植体的顶部偏差约为 1-2mm。
2 牙种植机器人个性化种植路径生成
2.1 引言（Foreword）
本章以一例实际病人病历为基础，结合 3-matic,geomegic 和 Mimics 等软件进行病理学模型建立，通过逆向工程设计制作牙种植手术定位装置及种植模型，再结合种植医学对病理分析并以建立数学模型和回归分析的方式实现个性化种植路径规划。该部分主要完成完整病理学模型建立与分析以及种植牙手术所必需的装置制备，为后续种植手术提供医学理论支持和必备实验条件实现，基本完成临床手术的前期诊断与准备。主要目标为通过数据分析实际病例并结合基础的医学常识判断，以期达成临床医生相近的医疗诊断，完成种植机器人具体病例的个性化种植路径制定。
2.2 口腔病理模型建立（Modeling of oral pathology）建立基础的数字模型是进行后续医疗方案制定和实验操作的基础，数字模型建立主要分为三个部分，即医学影像获取，基于软件实现的三维模型重建，以及 3D 打印实现导航定位装置和实验模型的制作。下将分步实现病理数字模型建立和定位装置的三维设计，打印制作实验平台搭建所需的定位装置和病患模型，从而为后续医学分析建立数据基础。
2.2.1 医学影像获取数字化技术采集有着很高的数据精度且能十分直观方便的显示患者的口腔组织结构和骨骼与牙体信息，在辅助治疗与诊断方面独具优势，目前在口腔治疗领域发展十分迅速，在牙种植手术中的普及程度和应用领域都在显著提高。数字化技术常用于获取患者口内和口外数字信息，如颌骨数据，牙龈牙列等口内软硬组织数据，面部轮廓信息等，医师基于以上信息结合现代种植学理念制定后期治疗的种植方案。在牙种植临床治疗中，还可用于手术后期种植体位置与角度的获取，进而判断种植操作的精度和治疗效果。目前常用的数字化采集方式主要有 CBCT，数字化扫描，面部扫描和数字化咬合分析系统等。
3 牙种植机器人运动学建模与空间映射建立
3.1 引言
3.2 机械臂运动学建模
3.3 空间映射建立
3.4 本章小节
4 牙种植仿真平台建立及机器人轨迹规划
4.1 引言
4.2 牙种植仿真平台搭建
4.3 轨迹规划
4.4 本章小节
5 牙种植机器人窝洞制备实验
5.1 引言（Foreword）
前文已完成种植路径规划、全系统空间映射关系构建和种植轨迹规划，为验证方案可行性和配准精度，本章将在已建立的理论分析和方案设计基础上进行牙窝制备实验验证。为保证映射系统的精准性和实验可行性，需要先进行种植运动方案制定和基于 TCP 通信的实体机械臂通讯，以此为数据基础和实验条件完成完整轨迹规划和数据传输，进而完成窝洞制备实验，最后，通过光学定位追踪仪记录实验中机械臂末端的运动轨迹和最终达成的实际位置，同预定轨迹和目标点位进行对比分析，进而分析方案可行性和实验精度。
5.2 实验设计(Experiment design)为探究整体设计方案可行性，检验基于个性化种植路径的牙种植精度与种植效果，基于前文所搭建的实验平台开展窝洞备孔实验。下面将首先从五个方面对本实验作简要说明：实验目的、实验对象、实验平台与设备、实验步骤。
5.2.1 实验目的本实验旨在验证明确种植路径条件下采用本文所设计的牙种植机器人系统进行牙窝制备的精度与稳定性。通过分析个性化目标种植路径下多组实验与传统自由手制备窝洞与预期值的角度偏差与位置偏差对比，结合规划位点与轨迹和实际位点与轨迹的误差分析，对该实验平台与实验方法下种植操作的稳定性优化与偏差值调优性能进行评估，探究整体实验方案的潜在优势，为带有个性化路径规划的牙种植系统临床应用提供数据支持与理论指导。
5.2.2 实验对象为保证实验方案所制定种植方案完全满足病人特异性生理条件，本实验对象为基于 CT数据重构的病患口腔骨质模型，该模型采用高精度、中等刚性的 PLA(聚乳酸)材料进行制备，与仿真实验中路径分析使用的数字模型无构型与数值差异，可实现实验组别间实验对象的力学性能与形状规格一致性，其具体对比效果如图 5.1。每组单项实验中，包括两组目标种植路径，通过与前文所制定数字医疗方案的姿态位置复现性能对方案可行性进行量化。
6 总结与展望
6.1 总结(Conclusions)
本文针对牙种植机器人的种植路径规划，平台定位系统转换与空间感知，以及实际备孔手术中的轨迹规划问题展开研究，搭建了集规划、感知、执行一体的牙种植机器人系统，并使用所构建的实验平台开展精度实验验证，基于 ROS 实现了平台仿真系统搭建，通过TCP 通信完成了规划轨迹复现。全文完成的工作总结如下：（1）进行了牙种植系统个性化种植路径研究。达成从 CT 获取，影像重建，医学分析和数据提取，以及基于回归方程的个性化种植路径制定的全流程实现。通过 3D 打印制备了牙体模型和定位装置，基于牙体位姿相关性分析和回归计算提出一种个性化种植方案，通过 SVD 分解和协方差矩阵构建的方式实现了模型空间和影像空间的配准，最后，使用数据分析，医学判断和种植效果模拟的方式对种植路径进行了评估。（2）完成了牙种植全系统的空间映射建立。采用标准 DH 参数法构建了机械臂正逆运动学模型，通过 TCP 和 TCF 重新标定了机械臂末端，使用 Tasi+LM 优化的方法实现了机械臂同光学定位追踪仪间的位姿标定，并通过降采样的 RANSAC 粗配准加 ICP 精配准方案实现了病患牙体位姿标定，基于解算实现了模型位姿到光学定位追踪仪空间的转换。从而完成了个性化种植路径到关节空间的映射，为后续轨迹规划与种植方案设计奠定了基础。（3）实现了牙种植手术中的轨迹规划。通过系统建模和 moveit 文件配置搭建了机械臂仿真平台，采用节点通信和病患模型文件配置完成了种植场景的完整复现，基于仿真平台采用 RRT*完成避障寻优，又使用多项式插值方式实现规划轨迹的平滑优化，达成了种植手术期间机械臂的长度-平滑度-避障的最优轨迹规划。（4）搭建了牙窝制备实验平台并进行了实验验证。基于空间转换实现种植路径基座空间表达，结合仿真平台与多项式轨迹规划生成完整运动轨迹方案。基于 TCP 协议实现了牙种植机器人和上位机间的通信，以透传方式实现了机械臂轨迹规划方案与个性化种植路径方案种植手术中的复现，通过实验验证了轨迹执行效果和种植精度，检验了整体牙种植方案的可行性。
6.2 展望(Outlook)本文构建了牙种植机器人系统和实验平台，以此为基础完成了个性化种植路径规划，全平台空间映射关系建立，术中种植轨迹规划，并通过实际种植实验验证了配准精度和方案整体可行性，虽然取得了一定的研究成果，但限于时间原因和个人的知识水平，仍存在一些缺陷与不足，下面是对本文不足的一些分析与未来展望：（1）本文所进行的个性化种植方案研究基于个体数据实现，缺乏广泛的数据支撑以至难以建成普遍通用的数据规划模型，可通过增加实验案例开展种植路径规划平台设计与研究。具体而言，可通过卷积神经网络实现病例数据提取，GA-PSO 模型完成种植路径规划，结合专家建议完成医疗诊断与种植方案设计效果判断，并采用种植过程仿真和生物医学有限元分析的方式验证以建立更完整普适的医疗诊断与种植方案优化平台；（2）对于全系统的空间配准实现，光学追踪可实现位姿标定，但眼在手外的配置方案容易产生视觉死角与误差，可结合单目相机或激光扫描实现场景构建和定位，通过多仪器纠偏与同步的方式提升定位精度，搭建智能程度，集成效果更佳的上位机通信系统以完成在线定位与种植操作纠偏。（3）本研究仅对牙种植轨迹部分进行分析规划与实验，而牙种植操作中的钻削力并未进行研究，结合机械臂动力学仿真对牙种植操作的力控制与补偿开展研究，对牙种植机器人种植精度与稳定性有深远影响。
参考文献
附录1