柔性针驱动机构及其控制器的设计与研究

论文摘要

医学穿刺的过程中经常会遇到一些重要的器官、神经或骨骼需要避开,而传统的刚针难以实现这种动作,使用柔性针就可以绕过障碍物达到目标靶点。目前柔性针穿刺国内还都处于研究初期阶段,柔性针的控制多采用的是PC机控制驱动机构的方式,需要配置PC机及控制软件,价格较高,体积庞大,使用不方便。因此,研究一种低成本、体积小的柔性针驱动机构及其控制器具有重要意义。首先,基于柔性针穿刺原理,采用固有步距角1.8°的步进电机作为驱动电机,并采用滚珠丝杠作为刺针驱动机构的直线运动机构,设计了柔性针驱动机构。其次,根据模块化思想,设计了控制器复位电路、通信电路、时钟电路等外围电路,确定以凌阳SPCE061A16位处理器为核心的控制器总体方案。然后,针对上、下位机分级控制的特点,基于凌阳unSP2.0编译环境,利用两个定时器TimerA和TimerB的中断功能对I/O口取反,产生PWM波控制步进电机,编写了可以实现包括柔性针自转、进给的速度控制和位置控制的多种运动的下位机程序。同时,在Visual C++6.0环境下编写了上位机的控制软件。最后,采用研制的控制器进行了柔性针的穿刺实验并经行了误差分析。实验结果表明,该控制器运行稳定,功能完善,控制精度高。驱动机构的直线进给位移控制误差小于0.02mm,柔性针直线、单弧、双弧运动的误差在1.28mmm以内,实际轨迹与理论轨迹吻合度较好,可以满足柔性针穿刺控制的要求,为柔性针刺针的广泛应用奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题来源与研究意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 柔性针驱动机构的设计与系统总体方案分析
• 2.1 柔性针穿刺原理
• 2.2 控制系统总体方案设计
• 2.3 柔性针驱动机构的结构设计
• 2.4 电机的选择
• 2.4.1 电机类型的选择
• 2.4.2 步进电机型号的确定
• 2.5 电机驱动器的选择
• 2.6 运动控制器的选择
• 2.7 本章小结
• 第3章 控制系统的分析及其硬件电路设计
• 3.1 控制器SPCE061A简介
• 3.2 控制系统硬件方案概述
• 3.3 硬件电路方案确定
• 3.3.1 电源电路
• 3.3.2 时钟电路
• 3.3.3 复位电路
• 3.3.4 人机交互电路
• 3.3.5 通信电路
• 3.3.6 电路抗干扰设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统软件的研究
• 4.1 下位机软件
• 4.1.1 PWM波控制步进电机程序
• 4.1.2 矩阵键盘程序
• 4.1.3 液晶显示程序
• 4.1.4 通信电路程序
• 4.2 上位机软件
• 4.3 本章小结
• 第5章 穿刺控制实验及结果分析
• 5.1 实验设备
• 5.2 实验结果
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢