脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人運動控制器的設(shè)計與研究.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)機器人研究所在“863計劃”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(shù)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(shù)機器人運動控制器的設(shè)計與實現(xiàn)。其中主要內(nèi)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(shù)和硬件描述語言設(shè)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(shù),設(shè)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(shè)計了雙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)機器人的特點,對機器人運動控制算法進行了研究。包括關(guān)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(jié)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(jié)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(nèi)的幾項脊柱穿刺手術(shù)相關(guān)的模擬實驗,并對結(jié)果進行了分析,驗證了機器人系統(tǒng)