辅助腹腔镜手术机器人结构设计与控制系统研究

论文摘要

近年来,由于机器人技术、微机电系统技术、计算机图像技术等的迅速发展,已经出现了外科手术机器人（Surgical Robot）,并研制开发辅助内镜手术机器人系统,来完成内镜操作甚至手术工具的操作。借助于机器人动作精确、工作可靠的优点,可使内镜手术更具安全性、准确性和便利性。鉴于其诱人的应用前景,辅助内镜手术机器人系统的研制开发已成为生物医学领域的一个热点研究课题。本文在分析腹腔镜手术的特点、技术要求和适用范围的基础上,确定了一种主被动式辅助腹腔镜手术机器人总体结构方案,并应用进行了机器人机械结构设计。建立了机器人机构运动学模型。应用D-H法对其进行了运动学正、逆分析,并利用MATLAB进行了运动学仿真。确定了本机器人的一种主从结构的总体控制方案。分别设计了基于TMS320LF2407A DSP的主机控制系统和基于ATmega128L单片机的从机控制系统硬件电路,并开发了其控制程序。主机主要进行机器人系统逻辑控制和运动学计算,从机主要完成控制面盘的扫描和指示灯的显示功能,主从机之间通过RS232协议通讯。试制了辅助腹腔镜手术机器人样机,并结合样机进行了控制系统硬件电路板和控制软件调试。最后设计了一种较为直观的试验方法,对样机进行了跟踪固定轨迹的试验,并分析了样机系统误差来源和解决方法。实验表明,本机器人基本满足实际性能要求。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究意义和目的

1.2 手术机器人研究与发展概况

1.2.1 国外发展概况

1.2.2 国内发展概况

1.3 手术机器人发展前景

1.4 课题主要研究内容

第2章机器人机械结构设计

2.1 机器人结构方案

2.1.1 腹腔镜手术简介

2.1.2 机器人性能要求

2.1.3 机器人结构方案

2.1.4 被动关节原理

2.1.5 手术切点标定

2.2 机器人结构设计

2.2.1 主动关节设计

2.2.2 被动关节设计

2.2.3 机器人机构基本参数

2.3 本章小结

第3章机器人运动学分析与仿真

3.1 刚体位姿描述

3.2 运动学正分析

3.3 运动学逆分析

3.3.1 锥形空间的逆解

3.3.2 轴向位移的逆解

3.4 运动学仿真研究

3.5 本章小结

第4章机器人控制系统设计

4.1 控制系统方案

4.2 控制系统硬件设计

4.2.1 主机硬件电路设计

4.2.2 从机硬件电路设计

4.3 控制系统软件设计

4.3.1 机器人工作流程

4.3.2 主机软件设计

4.3.3 从机软件设计

4.3.4 通讯协议设计

4.4 本章小结

第5章样机实验

5.1 实验样机

5.2 控制系统调试

5.3 控制系统实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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