腹腔微创手术机器人控制系统设计与实现

论文摘要

微创外科手术具有创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、医疗成本低等诸多优点,因此在外科手术领域中得到广泛应用并迅速发展。而机器人技术的发展和应用,提高了微创外科手术质量,降低了医生劳动强度。所以,微创外科手术机器人的应用得到了极大的重视,并已成为医疗机器人领域的研究热点。结合国家“863”计划资助项目“腹腔微创手术机器人系统研究”,本文对腹腔微创手术机器人的控制系统进行研究和构建,根据机器人各部分的控制要求,设计控制电路板,搭建电机驱动控制模块等。最后将各控制模块进行连接和集成,实现控制要求。本文对腹腔手术机器人的从手机械臂进行运动学分析和求解。建立D-H坐标系,求解机器人运动学正解;采用几何法求解运动学逆解,并求解机器人的雅可比矩阵。从硬件和软件两方面来完成控制系统的设计。硬件方面,设计继电器、制动器的控制电路、集成布线电路板和单片机串口通讯模块,完成电机与驱动器的连接。软件方面,编写单片机串口通讯程序、PC机串口通讯类和PLC控制程序。组建腹腔手术机器人的视觉成像系统,为医生提供清晰的手术视野。完成脚踏板的设计和控制面板的加工,作为控制信号的输入。同时设计操作平台和控制柜,将控制系统连接后安置其中,并在平台之上设置操作按钮和监视设备,方便医生的手术操作。将设计的机械部件加工组装,并完成各电路板的制作。将各电气模块安装固定,进行连接调试;测试单片机和PC串口通讯程序;运行PLC程序,测试直线关节运动情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题背景和研究的意义
• 1.3 微创手术机器人系统研究现状
• 1.3.1 国外微创手术机器人的研究现状
• 1.3.2 国内微创手术机器人的研究现状
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 微创手术机器人臂运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 机械臂结构
• 2.3 运动学分析的理论基础
• 2.4 微创手术机器人臂的正运动学
• 2.5 微创手术机器人臂的逆运动学分析
• 2.5.1 机器人远心点定位关节变量的求解
• 2.5.2 手术器械末端点定位关节变量的求解
• 2.6 雅可比矩阵
• 2.7 本章小结
• 第3章 控制系统硬件的构建
• 3.1 引言
• 3.2 主手端控制系统
• 3.2.1 运动控制卡和数据采集卡的选型
• 3.2.2 信号处理及通讯电路板
• 3.3 从手端控制系统
• 3.3.1 电磁离合器及制动器控制电路板
• 3.3.2 集成布线电路板
• 3.3.3 交流伺服电机的PLC控制
• 3.3.4 电机驱动器的连接和设置
• 3.3.5 PLC程序
• 3.4 控制程序设计
• 3.4.1 单片机固件程序设计
• 3.4.2 串口通讯类设计
• 3.5 操作系统配套装置的配备
• 3.5.1 控制工作台的设计
• 3.5.2 视觉成像系统
• 3.5.3 脚踏板离合装置
• 3.6 本章小结
• 第4章 系统实现及实验
• 4.1 引言
• 4.2 控制面板
• 4.3 操作台
• 4.4 脚踏板
• 4.5 交流电机控制
• 4.6 从手端控制系统实验
• 4.6.1 臂型锁定操作
• 4.6.2 直线关节升降测试
• 4.7 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录