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腹腔微创手术机器人控制系统设计与实现

董健  
【摘要】: 微创外科手术具有创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、医疗成本低等诸多优点,因此在外科手术领域中得到广泛应用并迅速发展。而机器人技术的发展和应用,提高了微创外科手术质量,降低了医生劳动强度。所以,微创外科手术机器人的应用得到了极大的重视,并已成为医疗机器人领域的研究热点。 结合国家“863”计划资助项目“腹腔微创手术机器人系统研究”,本文对腹腔微创手术机器人的控制系统进行研究和构建,根据机器人各部分的控制要求,设计控制电路板,搭建电机驱动控制模块等。最后将各控制模块进行连接和集成,实现控制要求。 本文对腹腔手术机器人的从手机械臂进行运动学分析和求解。建立D-H坐标系,求解机器人运动学正解;采用几何法求解运动学逆解,并求解机器人的雅可比矩阵。 从硬件和软件两方面来完成控制系统的设计。硬件方面,设计继电器、制动器的控制电路、集成布线电路板和单片机串口通讯模块,完成电机与驱动器的连接。软件方面,编写单片机串口通讯程序、PC机串口通讯类和PLC控制程序。组建腹腔手术机器人的视觉成像系统,为医生提供清晰的手术视野。完成脚踏板的设计和控制面板的加工,作为控制信号的输入。同时设计操作平台和控制柜,将控制系统连接后安置其中,并在平台之上设置操作按钮和监视设备,方便医生的手术操作。 将设计的机械部件加工组装,并完成各电路板的制作。将各电气模块安装固定,进行连接调试;测试单片机和PC串口通讯程序;运行PLC程序,测试直线关节运动情况。


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