脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、目前,微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科領(lǐng)域,還存在著諸多困難:如需多次CT掃描以確定插入人體內(nèi)的手術(shù)器械的位置；穿刺針極易誤入椎管而造成致命傷害。南開大學(xué)機(jī)器人研究所在“863計(jì)劃”的資助下,研制了基于CT圖像導(dǎo)航的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用自身定位精度高、無顫動、抓持穩(wěn)定等特點(diǎn),解決了上述問題,保證脊柱微創(chuàng)手術(shù)的安全進(jìn)行。
　　 本論文詳細(xì)論述了以FPGA為核心器件的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其中主要內(nèi)容包括

2、:
　　 1.基于坐標(biāo)線性變換的觸摸屏標(biāo)定和映射方法,運(yùn)用SOPC技術(shù)和硬件描述語言設(shè)計(jì)了觸摸屏采樣控制電路,實(shí)現(xiàn)了控制器的人機(jī)交互功能。
　　 2.利用Nios系統(tǒng)的自定義指令技術(shù),設(shè)計(jì)了CPU與CAN總線控制器(SJA1000)的接口,較之以往的連接方法,通訊效率有了很大的提升；
　　 3.設(shè)計(jì)了雙CPU Nios系統(tǒng)結(jié)構(gòu),將控制器的通訊部分工作從控制算法部分中分離出來并行執(zhí)行,進(jìn)一步提升控制器的硬件性能。<

3、br>　　 4.針對脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的特點(diǎn),對機(jī)器人運(yùn)動控制算法進(jìn)行了研究。包括關(guān)節(jié)電機(jī)正弦加減速控制、單軸定位的PID控制、機(jī)器人多軸聯(lián)動控制以及末端工具運(yùn)動路徑規(guī)劃等。所有的控制算法均給出了MATLAB下的仿真結(jié)果,部分算法使用C語言在控制器中實(shí)現(xiàn)并給出實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。
　　 在完成了機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)工作后,使用本機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了包括活體動物實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的幾項(xiàng)脊柱穿刺手術(shù)相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn),并對結(jié)果進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了機(jī)器人系統(tǒng)