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新型微创外科手术机器人控制系统研究

作　者: 梁科
导　师: 王树新
学　校: 天津大学
专　业: 机械工程
关键词: 微创外科手术主从控制 PMAC 控制算法实验研究
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

控制系统是主从式医疗机器人的关键部分。本文以课题组所研制的主从一体式微创外科手术机器人为研究对象,针对机器人主从操作手“异构”的结构特点,结合微创外科手术要求,设计了以PMAC多轴运动控制卡为核心的主从式操作控制系统。全文工作主要包括以下内容:1)结构简介及控制算法研究。在分析微创外科手术要求的基础上,结合机器人自身的特点,采用D-H法对主、从操作手分别建立了运动学模型并进行了相关运动学分析,以此作为控制算法设计的理论依据。主、从操作手之间的对应关系通过一致性控制、操作手重定位控制和比例控制三大控制策略得以确立。最后,通过推导主、从操作端各坐标系间的位姿变化描述,构造了主从空间映射方法,分析了相关流程,从而实现了主操作手对从操作手的运动控制。2)控制系统软、硬件设计。确定了机器人系统PC设置+运动控制卡运行的主从控制方案,以PMAC多轴运动控制卡为核心搭建了控制平台,并进行软、硬件设计。其中硬件部分通过分析控制功能需求,进行了设备的配置选型,以及主要电路的设计与说明,简要分析了运动控制的硬件实现方法;软件部分通过三个层级划分明确了各自所行使的职能,应用PMAC自带功能软件,进行了运动程序与PLC程序的设计;对系统PID参数、速度/加速度前馈增益进行了调试,改善了系统的性能,并从安全性角度出发,基于轨迹规划进行了安全技术分析。3)机器人控制性能实验研究。通过设计Matlab仿真实验与样机操作实验,对机器人的控制算法正确性、主从控制实时性、操作灵活性等性能进行了验证与分析。实验结果表明,机器人控制性能良好,能够满足微创外科手术操作的要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 引言  8
  1.2 课题研究背景  8-9
  1.3 微创外科手术机器人的国内外发展状况  9-12
  1.4 本文的研究意义  12
  1.5 应用于机器人的主从控制技术初探  12-13
  1.6 机器人控制方案的研究  13-14
  1.7 本文研究内容  14-15
第二章机器人机构简介与控制算法分析  15-36
  2.1 引言  15
  2.2 机器人机构简介  15-17
  2.3 机器人的机构运动学分析  17-25
    2.3.1 运动学分析方法简介  18-19
    2.3.2 机器人主操作手运动学分析  19-22
    2.3.3 从操作手正、逆运动学分析  22-24
    2.3.4 从操作手雅可比矩阵的构造  24-25
  2.4 机器人控制算法研究  25-28
    2.4.1 主从操作端坐标系的建立  26-27
    2.4.2 主从对应模型的建立  27-28
  2.5 控制策略的实现  28-32
    2.5.1 一致性控制  29-30
    2.5.2 操作手重定位  30-31
    2.5.3 比例控制  31-32
  2.6 图像显示下主从映射的实现  32-34
    2.6.1 主控点的位姿信息获取  32-33
    2.6.2 受控点的位姿信息获取  33-34
  2.7 机器人总体控制流程分析  34-35
  2.8 本章小结  35-36
第三章控制系统软、硬件设计  36-60
  3.1 控制系统的硬件设计  36-44
    3.1.1 控制功能需求分析  36-37
    3.1.2 设备的选型与硬件配置  37-39
    3.1.3 运动控制的实现  39-40
    3.1.4 控制系统主要电路的设计与说明  40-44
  3.2 控制系统的软件设计  44-48
    3.2.1 软件层级的划分  44-45
    3.2.2 人机界面开发软件平台简介  45-46
    3.2.3 运动程序的编写  46-47
    3.2.4 PLC 程序的编写  47-48
  3.3 机器人系统性能调试  48-53
    3.3.1 脉冲响应调节反馈增益  50-51
    3.3.2 抛物线响应调节前馈增益  51-53
  3.4 基于运动轨迹规划的机器人系统安全性技术研究  53-59
    3.4.1 主从运动平稳性规划  53-55
    3.4.2 碰撞检测规划  55-56
    3.4.3 手术工具撤离轨迹规划  56-58
    3.4.4 关节限制规划  58-59
  3.5 本章小结  59-60
第四章仿真与实验研究  60-70
  4.1 引言  60
  4.2 Matlab 仿真验证  60-62
  4.3 主从跟随运动验证  62-64
  4.4 线绳穿环实验  64-65
  4.5 缝合打结操作实验  65-69
    4.5.1 缝合操作实验  65-68
    4.5.2 打结操作实验  68-69
  4.6 本章小结  69-70
第五章全文总结与工作展望  70-72
  5.1 全文总结  70-71
  5.2 工作展望  71-72
参考文献  72-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

新型微创外科手术机器人控制系统研究

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