无框架立体定向手术系统 ——位置伺服控制设计

论文摘要

近年来,医疗机器人成为研究热点。本课题组研究设计一个用于脑外科手术的无框架立体定向手术机器人系统,它集立体定向、计算机影像学、红外线信号追踪和机器人自动化技术等技术于一体。机器人手术系统要求高位置精度,本文针对手术机器人执行器的位置控制进行研究。 作者针对手术机器人位置控制系统中的位置执行器、位置控制算法和位置反馈信息处理等进行了系统的研究。在系统的设计开发中,首先对选择的位置执行器进行数学模型的建立,在此基础上建立了PID位置控制的动态结构方程,并采用MATLAB仿真分析确定最佳PID控制参数。其次作者采用光电编码器作为位置传感器并且利用了RS—232标准接口建立了多功能控制器与上位机的之间的位置信息传输;最后作者以上位机为平台运用Visual Basic语言编写视窗化测试软件,此测试软件用于检验上位机和多功能控制器之间通信准确性和及时性,以及位置伺服控制系统位置控制的精确性。 经过测试平台检测,手术机器人位置控制达到了的稳态误差范围要求,并且运行稳定,跟踪误差小。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 医疗机器人技术发展
• 1.2 无框架立体定向手术系统的发展
• 1.3 无框架立体定向手术系统的关键技术
• 1.4 本论文的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 无框架立体定向手术系统的系统构成
• 2.1 无框架立体定向手术系统构成
• 2.1.1 硬件构成
• 2.1.2 软件构成
• 2.2 本章小结
• 3 手术机器人位置执行器
• 3.1 机器人执行器的分类
• 3.2 手术机器人执行器的选择
• 3.2.1 机器人电动机的分类
• 3.2.2 手术机器人电机的性能要求
• 3.2.3 手术机器人电机的选择
• 3.3 手术机器人电动机的构成和工作原理
• 3.4 手术机器人伺服电机的基本方程和动态数学模型
• 3.5 本章小结
• 4 手术机器人电动机PID控制设计与仿真分析
• 4.1 手术机器人电动机动态模型的建立
• 4.1.1 PWM控制器的动态结构
• 4.1.2 速度和电流检测环节
• 4.1.3 手术机器人电动机伺服控制系统结构图
• 4.2 手术机器人电动机控制系统设计
• 4.2.1 电流环的设计
• 4.2.2 速度环设计与计算机仿真
• 4.2.3 位置环的设计
• 4.3 前馈控制器设计
• 4.4 本章小结
• 5 手术机器人位置反馈数据处理
• 5.1 手术机器人光电编码器
• 5.1.1 光电编码器的工作原理
• 5.1.2 光电编码器的分类
• 5.1.3 手术机器人光电编码器的选择
• 5.2 手术机器人光电编码器信息的处理
• 5.2.1 光电编码器差分信号处理
• 5.2.2 信号的鉴相和计数电路
• 5.3 手术机器人位置信号传输
• 5.3.1 RS-232串行通信电气准位
• 5.3.2 RS-232管脚定义
• 5.3.3 RS-232传输速度和数据格式
• 5.3.4 接线方法
• 5.4 VB的串行通信口MSComm控件
• 5.4.1 通信控制项的引用
• 5.4.2 通信控制项的属性与事件
• 5.4.3 通信的开启与结束
• 5.5 本章小结
• 6 手术机器人位置伺服系统测试平台设计
• 6.1 主窗体功能简介
• 6.2 手术机器人位置反馈数据传输
• 6.2.1 数据传输通行协议
• 6.2.2 部分参数的技术分析
• 6.3 上位机RS-232端口的设置
• 6.4 关节限位设置
• 6.5 主视窗界面介绍
• 6.6 查询的使用
• 6.7 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录