脊柱微創(chuàng)手術機器人運動控制器的設計與研究.pdf

1、目前,微創(chuàng)手術技術應用于脊柱外科領域,還存在著諸多困難:如需多次CT掃描以確定插入人體內的手術器械的位置；穿刺針極易誤入椎管而造成致命傷害。南開大學機器人研究所在“863計劃”的資助下,研制了基于CT圖像導航的脊柱微創(chuàng)手術機器人系統(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,解決了上述問題,保證脊柱微創(chuàng)手術的安全進行。
　　 本論文詳細論述了以FPGA為核心器件的脊柱微創(chuàng)手術機器人運動控制器的設計與實現(xiàn)。其中主要內容包括

2、:
　　 1.基于坐標線性變換的觸摸屏標定和映射方法,運用SOPC技術和硬件描述語言設計了觸摸屏采樣控制電路,實現(xiàn)了控制器的人機交互功能。
　　 2.利用Nios系統(tǒng)的自定義指令技術,設計了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.設計了雙CPU Nios系統(tǒng)結構,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,進一步提升控制器的硬件性能。<

3、br>　　 4.針對脊柱微創(chuàng)手術機器人的特點,對機器人運動控制算法進行了研究。包括關節(jié)電機正弦加減速控制、單軸定位的PID控制、機器人多軸聯(lián)動控制以及末端工具運動路徑規(guī)劃等。所有的控制算法均給出了MATLAB下的仿真結果,部分算法使用C語言在控制器中實現(xiàn)并給出實際運行結果。
　　 在完成了機器人系統(tǒng)的研發(fā)工作后,使用本機器人實驗樣機進行了包括活體動物實驗在內的幾項脊柱穿刺手術相關的模擬實驗,并對結果進行了分析,驗證了機器人系統(tǒng)