辅助腹腔镜手术机器人移动系统研究

论文摘要

将人与机器人放在同一工作空间直接合作的新型机器人,正在发展成为热门课题之一。这种机器人继承了传统机器人的作业精度高、承载力强的特点,同时发挥了操作者的智能、视觉、触觉和灵活性等特长,它不仅降低了劳动者的劳动强度,而且提高了作业水平和生产效率。本论文根据辅助腹腔镜手术机器人要求手术者、患者和机器共同工作同一个工作空间的要求,设计了一种基于微控制力的腹腔镜手术机器人移动系统。具体研究如下:设计了移动系统的机械结构,对其主要组成部件做了详细的设计和选购;推导辅助腹腔镜手术机器人移动系统的运动模型,使用力传感器实现对移动系统的控制,并且对几种基本运动模型进行了分析。设计和开发了移动系统的软、硬件。硬件方面,基于模块化思想,以ATMega128和FPGA（现场可编程逻辑器件）为控制核心,主要包括主控模块、串口通讯模块、传感器信号放大模块、电机驱动模块和测速模块的设计;软件方面,开发了基于μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统的控制程序。基于伺服控制理论的研究,利用dSPACE/Simulink实时仿真平台进行了辅助腹腔镜手术机器人移动系统的半物理实时仿真。将车轮的传动系统引入控制回路,使车轮速度伺服控制算法模型转化为Simulink与RTI联系的仿真模型,从而构成了半物理仿真系统,应用ControlDesk实时测试显示工具对车轮伺服控制参数进行了实时调节。最后对辅助腹腔镜手术机器人移动系统的控制性能进行了试验研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 手术机器人的国内外发展
• 1.3 移动服务机器人的发展
• 1.4 论文主要工作内容
• 第2章 系统总体结构设计
• 2.1 移动系统的机械结构设计
• 2.2 驱动电机选择与校验
• 2.2.1 驱动电机选择
• 2.2.2 驱动电机校验
• 2.3 蓄电池的选择
• 2.4 轮子的选择
• 2.5 传感器原理与结构设计
• 2.5.1 传感器原理
• 2.5.2 传感器的结构设计
• 2.5.3 传感器的标定
• 2.6 控制系统方案设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 移动系统的运动控制
• 3.1 移动系统运动学模型
• 3.2 移动系统行走的控制算法
• 3.2.1 直线行走
• 3.2.2 绕左右轮转弯
• 3.2.3 绕任意半径转弯
• 3.3 本章小结
• 第4章 控制系统硬件设计
• 4.1 主控模块设计
• 4.1.1 电源电路设计
• 4.1.2 存储器接口电路设计
• 4.1.3 主单片机与FPGA的接口设计
• 4.2 串口通讯模块设计
• 4.3 传感器信号放大模块设计
• 4.4 电机驱动模块设计
• 4.5 测速模块设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于μC/OS-Ⅱ的软件设计
• 5.1 μC/OS-Ⅱ在ATmega128上的移植
• 5.2 移植代码的测试
• 5.3 系统的任务划分
• 5.4 任务优先级的划分
• 5.5 任务的实现
• 5.5.1 速度检测任务的实现
• 5.5.2 信息采集、电机和控制策略任务实现
• 5.6 本章小结
• 第6章 移动系统仿真与试验研究
• 6.1 基于dSPACE的仿真
• 6.1.1 dSPACE仿真系统概述
• 6.1.2 单电机速度伺服控制模型
• 6.1.3 移动系统半物理仿真模型
• 6.2 实验研究
• 6.2.1 辅助腹腔镜手术机器人试验系统
• 6.2.2 控制硬件电路板
• 6.2.3 单电机控制伺服控制试验
• 6.2.4 单电机控制性能试验
• 6.2.5 移动系统控制性能试验
• 6.3 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