机械电子工程硕士论文-柔性针刺针机构的运动控制及实验研究

工学硕士学位论文柔性针刺针机构的运动控制及实验研究 哈尔滨理工大学2011年3月国内图书分类号: TP242工学硕士学位论文柔性针刺针机构的运动控制及实验研究 硕 士 研究生：导 师：申请学位级别：工学硕士学 科、专 业：机械电子工程所 在 单 位：机械动力工程学院答 辩 日 期：2011年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index: TP242Dissertation for the Master Degree in EngineeringControl and Experiment Study Of Flexible Needle Insertion Mechanism Candidate： Chen HaoSupervisor： Zhang YongdeAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Mechatronic EngineeringDate of Oral Examination： March, 2011University： Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文柔性针穿刺机构的运动控制及实验研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书基于交叉混合推理的刀具真空热处理专家系统系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密， 在 年解密后适用授权书。 不保密 。（请在以上相应方框内打）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文柔性针刺针机构的运动控制及实验研究摘 要刺针是许多医学诊断、治疗及科学研究包括经皮介入治疗和活体组织病理检查的重要手段。但是由于在进针的过程中会遇到一些重要的器官、神经或骨骼需要避开，而传统意义上的刚性直针很难实现这种动作，并且若要达到理想的治疗目的，使用柔性针无疑是最佳选择，应用柔性针可以提高刺针的精确度、稳定性，改善治疗和诊断的效果，而且这种技术的应用范围极广，可以实施到有器官的刺针过程中，如前列腺、肝、肺和大脑等。目前柔性针刺针只停留在研究阶段，因此，研究一种低成本、重量轻的柔性针刺针系统不仅能够满足社会广大患者的需要，同时对于推动柔性针刺针理论的发展也具有重要的意义。本课题所研究的柔性针刺针机构的运功控制器是用于柔性针刺针的专用控制器，以推广普及为目的，提高柔性针刺针的精度，减小医生的劳动量并实现自动化。本课题根据小型化、便携式排牙柔性针刺针机构的要求，首先基于柔性针刺针机理设计了柔性针刺针机构，在此基础上，根据模块化思想，设计了基于凌阳SPCE061A 16位处理器为核心的控制系统，采用上、下位机控制两个步进电机实现多种运行方式。实验证明，该控制系统运行稳定，功能完善，控制进给误差在1.2815以内，最大误差和误差的均方根都足够小，与实际轨迹吻合度好。满足柔性针运动控制的要求。关键词 柔性针刺入；运动控制；机构；SPCE061aII- -哈尔滨理工大学工学硕士学位论文Control and Experiment Study Of Flexible Needle Insertion MechanismAbstractNeedle insertion is important means of many medical diagnosis, treatment and scientific research including interventional therapy and living tissue pathology. But as in the process of the needle insertion，sometimes it needs to drive round some important organs, nerves or bones. And the traditional sense of rigid straight needle is difficult to realize this kind of action. So undoubtedly using the flexible needle is the best choice if you want to achieve the ideal treatment purposes. Using the flexible needles can make the needling insertion much more accurate and stable, and improve the diagnosis and treatment effect. And this technical has very wide scope of application, and it can be applied to some process of needling insertion into organs such as prostate, liver, lungs and brain, etc. At present the flexible needles needling only stays in research phase.So reaserching a kind of low cost, lightweight flexible needles needling system not only can meets the need of social general patients but also has very important significance for promoting the flexible needle needling theory. The motion controller of the flexible needle needling insitution in this article is only used to flexible needle needling. My reaserch is on the purpose of promotion,improving the acuracy of flexible needle, reducing doctors labor and realizing automation. In this article, according to miniaturization, portable row tooth flexible needles needling institutions requirments, first I designed flexible needle needling institution. Based on this, according to modular thought, I designed a control system with the sunplus spce061a 16 processor as the core of it. Use upper and lower level computer to control two stepper motor to realize various operation modes. It turned out that displacement control error is less than or equal to 1.2815. Maximum error and RMS are small enough. The actual paths fit the theoretical path well. It meets the needs of flexible needle insertion.Keywords flexible needle insertion,motion control,mechansim;spce061a目录柔性针刺针机构的运动控制及实验研究I摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题来源与研究的意义21.2.1 课题来源21.2.2 课题研究的目的及意义21.3 国内外研究现状31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状61.4 本文主要研究内容8第2章 柔性针刺针机构运动控制系统总体方案设计92.1 柔性针刺针原理92.2 控制系统总体方案设计102.3 柔性针刺针机构的结构设计112.4 下位机控制系统方案设计122.4.1 电机的选择122.4.2 电机驱动器的选择142.4.3 运动控制器的选择142.5 本章小结15第3章 柔性针刺针机构运动控制系统硬件电路设计163.1 控制器SPCE061A简介163.2 控制系统硬件方案概述173.3 硬件电路设计183.3.1 电源电路设计183.3.2 时钟电路设计183.3.3 复位电路设计193.3.4 人机交互电路设计203.3.5 通信电路设计213.3.6 电路抗干扰设计223.4 本章小结22第4章 柔性针刺针机构运动控制系统软件设计234.1 下位机软件设计234.1.1 PWM波控制步进电机程序设计234.1.2 矩阵键盘程序设计254.1.3 液晶显示程序设计254.1.4 通信电路程序设计264.2 上位机软件设计274.3 本章小结28第5章 柔性针刺针机构刺针实验及结果分析295.1 实验设备295.2 实验结果及分析295.3 本章小结33结论34参考文献35攻读硕士期间发表的论文38致谢39千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空- IV -第1章 绪论1.1 课题背景近年来，随着科学技术的发展，微创医疗技术得到了广泛的应用。微创手术的概念是指凡能够较好地保持机体内环境稳定、减少组织损伤、有利于机体较快地恢复并有良好预后的治疗手术1。微创手术是未来外科发展的方向之一，是电子显示系统、高科技手术器械以及传统的外科手术相结合的前沿技术。微创手术器械的应用不仅给医生带来方便，也给患者减小了痛苦。传统手术伤口比较大，而微创手术是通过电子显微镜在屏幕上观看影像，不仅影像清晰，而且增大了手术的成功率。刺针是现代手术常用的手段，许多医学诊断、治疗以及活体组织病理检查的重要手段。但是由于在进针的过程中会遇到一些重要的器官、神经或骨骼需要避开，而传统意义上的刚性直针很难实现这种动作，并且若要达到理想的治疗目的，对医生的经验和技术也要求颇高，利用组织变形，通过针座的侧摆来接近目标，这样的话无法保证精准到达目标，针尖最终到达位置相对于理想靶位的偏差会影响诊断和治疗的效果，甚至会危机病人的生命。而且如果不能精确的控制和操纵进入组织内的穿刺针，即使可以通过图像看出这些偏差，也不能去纠正它们。在这种情况下，使用柔性针无疑是最佳选择，使用柔性针可以提高刺针的稳定性、精确度，改善治疗和诊断的效果，而且柔性针刺针技术的应用范围极广，可以实施到有器官的刺针过程中，如前列腺、肝、肺和大脑等2-5。在手术中常常遇到一些重要的组织和器官要避开，传统的钢针无法满足需要。我们的研究就是要在医学成像系统的引导下，完全利用进针时斜尖与组织的侧向作用力使针轴产生弯转，这样不但可以更精确控制针的轨迹，而且还能绕过障碍物准确达到靶点。由于传统的刺针在面对目标的时候只能直向进给，而柔性针则能够通过转变方向绕过障碍物达到人体中的目标位置，所以柔性针技术能够轻松的使介入治疗实现微创的效果，给医生带来操作上的方便的同时也能够避免传统治疗方法给病人带来的痛苦。此外，如果可控弯针这种技术能够实现，则无疑会提高针刺过程的效率并且能够推进医疗过程的自动化进程。对于患者来讲，可控弯针技术的实现能够有效减少传统手术操作对病人的器官及其主要血管的伤害，降低外科手术的破坏性，从而提高病人在接受手术中的安全性，缩短病人术后的恢复时间。可见这种技术可以达到医生与患者双赢的效果，是现代医学器械技术研究的主要方面之一6。1.2 课题来源与研究的意义1.2.1 课题来源本课题来源于国家自然科学基金面上项目：机器人操控柔性针靶向穿刺机理及实验研究，项目编号为：51075105。本文采用设计了一种柔性针穿刺机构运动控制器来实现微创介入治疗。实现进针位置、姿态、穿刺轨迹以及目标靶点的实时精确运动控制。采用的柔性针，具有倾斜的针尖部分，利用针的柔性和针的斜尖与组织作用受到的侧向力使针轴产生弯曲变形，通过独立设计的进针机构实现针的直进速度、旋转速度和斜尖角度值的合适组合及协调控制，再结合机器人对入针位置、角度和姿态以及穿刺过程中的干预，就可以实现柔性针的靶向控制，即实现针的运行轨迹、到达靶点的接近姿态、针尖的精确定位控制。自动化控制还能够降低医生的劳动强度，大大提高手术准确性和安全性，实现更高水平的微创手术，从而极大地提高介入治疗的手术质量和效率，减少患者的痛苦，提高患者的生存质量，推动微创医疗技术的发展，造福全社会7。1.2.2 课题研究的目的及意义微创介入治疗技术是近年来迅速发展起来的一门崭新外科医疗技术，在医学影像设备的引导下，将特制的针、导管、导丝等精密器械引入人体，对体内病变进行诊断和局部治疗。它具有创伤小、安全易行、定位准确、疗效快、副作用少、费用低等明显优于传统手术疗法的优点，因此备受当代医疗界的青睐，被广泛应用于活体组织病理检查、局部组织和器官的药物定向投送和手术等。微创医疗将成为未来外科临床医学发展的必然趋势。介入治疗的靶向控制，是指通过合适的控制方式，控制介入针、导管等介入媒体穿过需要的轨迹、以需要的接近姿态、到达给定的目标点，最终完成介入诊断和治疗任务。目前介入手术中多采用刚性的直针，这种刚针只能沿直线路径行进、定位和定向，没有柔性，另外由于人体组织的结构复杂性、手工操作的不确定性，这种介入针难以实现实时的精确定位控制，更无法绕过障碍，实现人体深度部位的靶向穿刺。(1)当由于人体器官的意外位移、组织的变形、针的弯曲变形、针的运动误差等导致穿刺针偏离靶点目标时，穿刺针就无法准确到达靶点位置。这种情况下，普遍的处理方法是把针退出体外，重新穿刺；或者是靠操作针尾部硬性改变针在体内的位置和姿态来纠正，使人体组织和器官受到较大的挤压和推拉作用，这两种方法都会对患者造成更多的痛苦，甚至对组织和器官造成一定程度的伤害。(2)人体的有些器官和组织相对比较隐蔽，可能“隐藏”在骨骼或其它器官的后面，如经过会阴对前列腺介入治疗时，趾骨就会遮挡住前列腺一部分，形成“保护”而难以实现介入治疗，另外有些神经、血管等也需要随时避开。在这些场合下，刚性直针就无法满足要求，必须采用可以弯曲控制的柔性针来代替。柔性针一般采用镍钛合金等特殊材料制成，具有很好的柔韧性和合适的操控性，易于实现靶向控制。本文采用的柔性针刺针机构由进给电机、旋转电机、滚珠丝杠螺母机构、针轴和导向装置组成。其中进给电机实现针的进给，旋转电机实现针的旋转，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转变成直线运动，同时具备高精度，高效性，可逆性的特点，导向装置保证柔性针进给方向。基于计算机标准总线的控制步进电机的运动控制器仍然是市场的主流，其运动控制器的核心是控制板卡。传统的步进电机运动控制板卡具有以下的缺点：1、板卡结构的控制器由于使用金手指连接，容易氧化，不利于长期使用。2、PC资源浪费。由于和上位机PC捆绑销售，用户实际上只使用了小部分的硬件资源，未使用的PC资源不但造成了闲置和浪费，还带来维护上的麻烦。3、整体的可靠性难以保证。由于PC机的选择可以是工控机，也可以是商用机，系统集成后可靠性差异很大，并不是能由控制器所能保证的。4、价格较高，携带不方便，并且没有一种向医生提供柔性针刺针信息的专用控制系统，而基于单片机的运动控制器能够克服上述缺点。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状国外对柔性针微创介入治疗的研究处于初始阶段，专用的运动控制器几乎没有，主要是北美的一些大学和专门的研究机构。美国Robert J. Webster III等人领导的课题小组成绩比较突出。所研究的项目是由伯克利自动化科学实验室与美国约翰霍普金斯大学和皇后大学合作。他们主要致力于在影像设备的引导下，可控弯针通过软组织的研究。他们设计了一种不完整的可控弯针的模型，在这个模型中，针的非直线进给是依靠一种末梢斜尖的柔性针来实现的。随着这种柔性针插入人体组织中，针尖会受到一股侧向力的压迫，从而使针向一侧弯曲，如果重新调整斜尖的位置则会使针刺的方向发生改变。在实验中，他们设计了两种刺针机构，一种通过摩擦力来驱动（如图1-1(a)、(b)所示），一种通过步进电机来驱动（如图1-1（c）、（d）所示），步进电机控制系统控制的。两种都能单独控制进给速度和旋转速度。第一套机构：主要优点：结构紧凑、简单；这套机构也有其难以避免的缺点，包括：（1）由于受到摩擦驱动的影响，不可避免的会有线性滑移的现象产生，（2）由于两个橡胶驱动轮与针的接触力不平衡而产生针的转动，（3）刺针的力和扭矩都很难测量。第二套机构：优点：结构简单、稳定。缺点：针易弯曲，需在整个针轴上加带伸缩的支撑。综上：第二套机构优于第一套，本课题采用的是类似第二套机构的方案8.9。 （a）靠摩擦力驱动机构的CAD模型 （b）靠摩擦力驱动机构的实验设备 （c）靠步进电机驱动机构的刺针模型 （d）靠步进电机驱动的实验设备图1-1 两种不同的刺针机构Fig. 1-1 two different insertion model美国卡内基梅隆大学机器人研究所和匹兹堡大学神经外科部J.A. Engh, G. Podnar, S.Y. Khoo, and C.N. Riviere等人合作进行了低速柔性针系统进入大脑深层区域的探讨。他们研究出的新算法也是基于Robert J、Webster等人所提出的“自行车”模型理论。这种新算法能够控制旋转在整个工作周期中所占的比例，从而能够成比例控制针的进给速度以及转轴的旋转速度。这样做不但实现了对针弯曲方向的控制，还能够使针的弯曲量得到控制。如果柔性针在进给的过程中其旋转的速率恒定不变，那么将会得到一条接近直线形状的轨迹，当旋转停止时，我们会得到一条弧线轨迹，且这条弧线以一定的曲率r为半径。综上分析，如果能够成比例控制从停止到直进再到停止的运动，并且实现针在直进步骤时保持其相同的旋转角度，那么结果可以得到任何一条介于这两种极限之间的平面曲线。此外，他们在刺针的结构设计上运用了磁位移传感器，这种传感器能够进行进针位移的检测，并将位移反馈给计算机，从而计算出针旋转的角度及方向以及针杆所受的摩擦力的大小，当需要时实时对轨迹做出调整。实验证明，这种方法使人们有可能通过一根柔性针精准的到达深度病变区10。图1-2 柔性针刺针机构模型Fig. 1-2 The flexible needle insertion mechanism model加拿大外科技术和高级机器人研究所和西安大略大学的电子和计算机研究所的Niki Abolhassani and RajniV.Patel研究了如何将针精确插入柔软的，不均匀的组织中。这在诊断和治疗当中具有重要的现实意义。在这个过程中使用的针通常是长的，易弯曲的，并带有在插入过程中可以发生偏转的斜面末端。针偏转不仅可以造成针尖指向错位，也可能由于沿针轴产生的曲率导致针偏离原定轨道。为了减少针从它的路径偏转的可能性，并增加针尖位置精度，通过研究针受力和针在扎入时偏转的关系，提出一个模型可以用来估计在插入到相对软组织时的针偏转量。根据模型研究了一个轨迹生成算法，以提高针尖位置精度11。图1-3柔性针刺针机构模型Fig.1-3 Flexible needle insertion mechanism model新加坡南洋理工大学的Kai Guo Yan等人对柔性针控制进行了研究，弹性梁装置模型描述了在针接触组织的时候动力装置。考虑到组织的多样性，深度变化要考虑到弹性和阻尼的影响。在有限深度采用多项式近似估计未知的深度平均参数，在此基础上，对于这些因素，使用修改最小平方法进行了在线参数估计，并经行了一些初步的实验12。图1-4柔性针刺针实验设备Fig.1-4 Flexible needle insertion experiment equipment1.3.2 国内研究现状医学界对微创和局部治疗的研究日渐成熟，但国内对于应用柔性针微创介入治疗的研究却刚刚起步，其研究的重点主要集中在影像设备的开发和利用。虽然柔性针的功能及其研究意义是显而易见的，但是由于理论方法和技术水平方面的限制，国内柔性针研究仍有很多问题需要进行进一步的深入探讨。尽管还有不足，但是我国在这方面的研究也取得了一定的进展，例如，医生使用传统的刚性针在影像设备的引导下进行刺针治疗，若干大学以及研究机构都已经进行了初步的探索。2007年，中国香港大学L.B. Tang等人成功实现了针的靶向运动控制，这项实验利用磁力驱动带铰链的对称针头，从而使针头产生偏转。利用磁力驱动带铰链的对称针头产生偏转，实现针的靶向运动控制13。图1-5 磁力驱动柔性针偏转Fig.1-5 Magnetic force drive needle deflection2009年，中国香港大学机械工程学院Z.Chen等主要研究多铰链针刺入。这是一种多铰链微创手术针，利用斜尖受到的侧向力和铰链的旋转作用来改变针刺方向。这种柔性针有斜面的尖端，压力作用在斜面上可以造成较大的转向曲率和转角。完成了一种可行的路径算法。这种算法的主要目标是控制针刺入的轨迹，以避免与重要器官和人体的神经发生干涉。他们的实验模型也是建立在Robert J. Webster III基础上的14。图1-6 多铰链针模型Fig.1-6 multijoint needle model1.4 本文主要研究内容本文主要包括以下研究内容：1.柔性针刺针机构的结构设计：本研究设计了刺针机构来控制柔性针的位置变化、进给角度以及其旋转的速度，对各种电机性能进行比较，对各种电机进行比较选择合适的电机。2.柔性针刺针机构控制系统的硬件设计：本文设计了进针控制系统硬件方案，本方案构建了一个控制系统平台，它以SPACE061A微控制器为核心，包括电机驱动电路、人机交互电路（矩阵键盘和LCD）、串口通讯电路、复位电路、时钟电路、SPCE061A微控制器电源电路等。3.柔性针刺针机构的控制系统的软件设计：主要包括：上、下位机串口通信程序、LCD液晶显示程序，矩阵键盘程序，电机速度控制和位置控制程序等，并分配不同的中断优先级，控制系统的驱动程序利用unSP IDE2.0软件进行编写和控制。4.柔性针刺针机构的运动控制的实验研究：对模拟人体组织进行柔性针刺针的实验研究，分析误差存在的原因并探讨具体的解决办法。- 39 -第2章 柔性针刺针机构运动控制系统总体方案设计刺针用于临床治疗的每一个领域，是微创介入治疗的一种重要手段。有几种方法可以控制针刺入组织。其中一种方法是通过移动针的末端使刚针刺入软组织。针的末端和针的尖端通过一个雅克比矩阵的关系式建立联系。另一种转向的方法是运用带有斜尖的柔性针。这种针当其以一种恒定的曲率插进组织时就会弯曲。Webster发展并验证了一个高弹性针的非完整模式，运用斜尖的不对称性控制其插入组织。在这种模式当中，针尖像具备带锁车把的小型自行车一样运作，因此针的运动遵循一个圆弧。通过改变斜尖的方向可以控制弯曲的方向；把针轴作为柔性驱动轴，从组织外部旋转针尖的斜面。预弯的针，无论单独使用或者联合斜尖使用，都可以用来实现针的转向医生用标准的尖端不对称的斜针刺入组织时会产生偏转。当针刺入组织时，在针和组织的接触面上产生力使针偏转。2.1 柔性针刺针原理由力学理论分析可知，在柔性针刺针过程中，组织对斜尖的侧向力使针轴弯曲，自转运动改变斜尖的方向，从而改变针的运动方向，形成三维轨迹。当柔性针扎入人体组织时，当只有进给运动而没有针轴自转运动时，针的斜面受到力F的作用，使柔性针沿着固定半径为r的圆弧偏转，而且与针的进给速度无关；当进给一段距离后旋转针尖角度再次进给时，针将扎出另一段不同的圆弧；当即进给又自转时，针将沿着螺旋线的路径运动，当自转速度远大于进给速度时，针刺的路径将是一条直线。运动的规律符合带回弹的自行车模型15,16。柔性针刺针机理如图2-1所示。图2-1柔性针刺针原理Fig.2-1flexible needle insertion principle图2-2所示是一个完整的柔性针刺针过程，当柔性针以一定的速度扎入组织时，柔性针沿着直线前进，降低柔性针的进给速度到某一值时，柔性针弯曲产生偏转，弯曲的方向可以靠改变针尖斜角的方向获得。利用单片机产生不同的占空比的脉冲信号，驱动电机运动，使针在组织中形成不同曲率的弧线。精确的刺针是内科和外壳治疗的常用手段。缺乏针尖定位可以导致对活体组织切片错误的诊断。柔性针刺针机构控制的最终目的是精确引导柔性针的针尖避开障碍物到达目标靶点17。图2-2柔性针直线进给，针尖180旋转柔性针避开障碍物达到目标靶点Fig.2-2 Flexible needles linear feeding, tip rotating 180flexible needles avoid obstacles to achieve objectives targets2.2 控制系统总体方案设计本文针对柔性针刺针机构，设计一种简单可行、携带方便、可靠性好的控制系统，来实现柔性针的刺针机构的运动控制。整个柔性针刺针系统包括三大部分：柔性针刺针机构，上位机控制系统以及下位机控制系统，如图2-3所示。图2-3柔性针刺针系统示意图Fig.2-3 flexible needle insertion system下位机控制系统又由三部分组成：运动控制部件（运动控制器）、驱动部件（驱动器）和运动执行部件（电动机），性针刺针机构下位机控制系统如图2-4所示。图2-4柔性针刺针机构下位机控制系统示意图Fig.2-4 flexible needle insertion institutions lower computer control system柔性针刺针系统工作的流程是，利用医学成像系统，获得目标靶点路径上障碍物的坐标，利用MATLAB进行路径规划，得到一系列的参数，输入到上位机系统，发送命令到下位机系统驱动电机，也可以直接在下位机系统输入参数产生脉冲驱动电机，控制针的进给和针尖角度的调整，利用进针时斜尖与组织的侧向作用力使针轴产生弯转，并在液晶屏幕上显示柔性针运动的参数。这样不但可以更精确控制针的轨迹，而且还能绕过重要器官准确达到靶点。本控制系统可以通过控制电机的运转达到对柔性针进给的位置控制和速度控制。2.3 柔性针刺针机构的结构设计柔性针为了能够达到避开障碍物的目的，需要有几种运动模式：直线进给，单弧和双弧。根据柔性针刺针原理，为了满足柔性针刺针单弧和双弧运动的需要，要求进给电机和自转电机不但具有良好的稳定性和精度，还能够独立互不干涉的运行，为了实现直线运动，要求进给电机和自转电机能够保证一定速度条件下同时运行。为了能够退针电机还应该能够正转和反转。一方面，柔性针刺针机构需要对刺针的位移进行控制，本文选择了滚珠丝杠副，把电机的旋转运动转换成柔性针的直线运动。丝杠螺母副是利用滚珠运动，具有机动力矩小，无侧隙，刚性高的特点，不会产生爬行现象，能保证实现精确的进给18。另外一方面，为了实现柔性针的自转，把柔性针通过联轴器和一个电机相连，另一个电机固定在滑块上和柔性针一起运动。此外，由于柔性针有一定的长度，在针尖处有一定挠度，在滚珠丝杠副末端加一个支撑座。柔性针上套一个可以伸缩的套筒作为导向装置来保证柔性针在刺针过程中前进方向。整个柔性针刺针机构由进给电机、旋转电机、滚珠丝杠副、针轴和导向装置组成,三维模型如图2-5所示。图2-5 柔性针刺针机构三维模型Fig.2-5 3D model of flexible needle insertion mechanism2.4 下位机控制系统方案设计2.4.1 电机的选择2.4.1.1 电机类型的选择 目前常用的驱动电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。本文根据柔性针刺针机构的实际需要选择电机。1.直流伺服电机。直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩打，调速范围宽，控制容易，但需要换刷，产生电磁干扰，对环境有要求，适用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机响应快，惯量小，重量轻，速度高，出力大，力矩稳定，转动平滑。其控制较为复杂，维护简单，效率高运行温度低，电磁辐射小长寿命，可用于各种环境。但是其体积偏大，成本较高。2.交流伺服电机。交流伺服电机分为同步电机和异步电机。目前控制一般使用同步电机。它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转速低，且伴随功率增大而快速降低，适合做低速平稳的运行的应用。价格比直流伺服电机便宜，但是比步进电机要贵。3.步进电机。步进电机是将脉冲信号转变成线位移或者是角位移的元件。接收到一个脉冲电机就旋转一定的角度，带动机械结构部分前进一小段位移。具有以下特点：（1）步进电机旋转角度可以根据控制脉冲的个数来控制。（2）控制脉冲发射频率，可以控制电机的转速。（3）改变脉冲发射方向，可以控制电机的转向。（4）步进电机的精度为步距角的3%-5%,通常进行开环控制且误差不积累，有良好的位置精度和运动重复性。（5）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 柔性针刺针机构的特点是结构简单，负载较小，可靠性高，精度高，便于携带能够广泛应用于临床治疗的医疗设备，需要考虑成本因素。电机主要是控制柔性针的直线位移和旋转位移，要求电机有一定的自锁功能。综合以上原因在柔性针刺针机构中选择步进电机作为柔性针进给和旋转的控制电机。2.4.1.2 步进电机型号的确定 步进电机有步距角（和相数相关）、静转矩和电流。一旦这三个要素确定了步进电机的型号也就确定了。柔性针刺针机构的步进电机分为进给步进电机和旋转步进电机。进给电机通过丝杠螺母副控制柔性针的进给，进给步进电机的选择如下：1.步距角的选择 首先将负载的最小分辨率（当量）折算到电机轴上，每个当量电机应走多少度。电机的步距角应等于或小于此角度。见式（2-1），若滚珠丝杠直接连接和电机相连，传动比i=1，则步进电机步距角为 （2-1）式中：为步进电动机的步距角，丝杠导程P=2()，脉冲当量=0.01 ()。 步距角小于等于1.8满足要求，选择步距角小于等于1.8的二相混合式步进电动机即可满足系统的精度要求。2.静转矩的确定 静力矩根据电机的负载决定。负载转矩与最大静转矩的关系为即 （2-2）而所用螺杆为滚珠丝杠，直径D=8，摩擦系数=0.2，负载P=5，由此求出负载转矩,计算过程如下：即得出=0.0392（Nm），由公式（2-2）得（Nm）。因此步进电机的输出静转矩在0.0784Nm以上时就能满足系统的需要。3.电流的确定静力矩相等的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，根据矩频特性曲线图，判断电机的电流1.7A满足要求。综合上面几个因素，选择北京斯达微步控制技术有限公司生产的17HS101型步进电机，其参数如表2-1所示。表2-1 电机技术数据Table 2-1 Specification of step motor型号步距角 ()相数电流(A)相电阻()电感（mH）最大静力矩(Nm)驱动电压(V)转动惯量(Kgcm2)17HS1011.821.72.32.880.35DC240.032旋转电机通过联轴器和柔性针连接，实验测量柔性针刺入组织时最大受力只有0.9N,力矩相当小，从结构合理的角度出发，考虑到刺针进针机构特点是结构简单，体积较小，运行可靠，选择电机型号为17HS101型步进电机。2.4.2 电机驱动器的选择根据所选电动机额定电流选出与之匹配的驱动器，驱动器的额定电流应比电动机的额定电流略大。因此，选择与17HS101型步进电机匹配的额定电流大于1.7A的，选择由北京斯达微步控制技术有限公司生产的SH-2H042Ma型步进电机驱动器。为了提高柔性针刺针的精度，选择带有高细分数的步进电机，在原有的电机固有步距角上进一步的细分。通过驱动器的细分，步进电机的步距角变小了，步进电机工作在细分状态时，一个脉冲步进电机旋转不是1.8而是0.45。此款驱动器结构简单，运行平稳，采用高频斩波恒流驱动方式抗干扰能力好，能够满足柔性针刺针驱动步进电机的要求。2.4.3 运动控制器的选择如果采用传统的8位单片机89C51作为控制器的控制核心，51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度较低，功能比较单一。而32位单片机则浪费资源，成本较高。本文采用16位单片机SPCE061A作为控制器的控制核心，SPCE061A资源丰富，指令周期短，工作效率高，功耗低，自带A/D转换模块,可在线下载,易于调试,适合对电机进行控制 。它具有两个16位可编程定时器/计数器，32位通用可编程输入/输出A口和B口，14个中断源，1个通用异步串行模块（UART）,内置看门狗监视器等丰富的硬件资源。把各种功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，减少了个功能部件之间的连线，提高了可靠性和抗干扰能力。该芯片支持10个中断向量和10余个中断源，适合实时应用领域。指令系统提供具有较高运算速度的16位X16位的乘法运算指令和内积运算指令，为应用增添了DSP功能。SPCE061A结构如图2-6所示19-26。图2-6 SPCE061A的内部结构Fig.2-6 Internal structure of SPCE061A2.5 本章小结本章详细介绍了柔性针刺针技术的机理，确定了柔性针控制系统总体方案，设计了柔性针刺针机构，研究了下位机控制系统方案，完成了对步进电机，电机驱动器和运动控制器的选型工作。第3章 柔性针刺针机构运动控制系统硬件电路设计3.1 控制器SPCE061A简介SPCE061A的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。SPCE061A的内部结构如图3-1所示27-29。图3-1nSP系列的模块式结构Fig.3-1Module mechanism of nSP series 凌阳SPCE06A1单片机有许多自己的特点，具体有如下性能：它是凌阳科技推出的一款16位的处理器，利用32768Hz实时时钟源产生了许多种的实时时钟源，可以作为精确的计时基准。凌阳单片机的特点之一就是具有可编程音频处理功能。另外，在待机状态下，单片机的功耗较低。耗电小于2A 3.6V。一共具有32bit可编程的I/O口。14个中断源。具有低电压复位和低电压检测的功能。具有串行设备接口，内置在线仿真接口。凌阳SPCE061A的特点还具有看门狗监视器。3.2 控制系统硬件方案概述控制系统采用模块化设计，主要由以下几个模块组成：核心微控制器模块，电机驱动模块，人机交互模块等几部分组成。控制系统的硬件结构如图3-2所示。通过键盘预置所需的转向和转速，由显示部分显示转速数值。最后由SPCE061A单片机发出相应的时序信号，控制电机的转向和转速。系统电路连接图如图3-3所示。图3-2系统硬件连接示意图 Fig.3-2 System hardware connection diagram图3-3控制系统电路连接图Fig.3-3 Control system circuit connection diagram3.3 硬件电路设计3.3.1 电源电路设计柔性针刺针控制系统需要的电压有+5V,+24V。+5V是凌阳单片机工作时需要的电压，+24V是步进电机工作时需要的电压。+24V供电选用开关电源。+5V供电电路由图3-4所示。不同电压之间要做好隔离工作，并且把电源和电路板作在不同的独立板子上。单向桥式整流电路提供的单向脉动电压波动较大，容易对负载造成较大的冲击，所以需要滤波电路，改善输出电压的脉动幅度30。图3-4 电源电路图Fig.3-4 Power circuit3.3.2 时钟电路设计nSP时钟电路采用晶体振荡器电路。图3-5为SPCE061A时钟电路的接线图。单片机的工作时序都是由时钟电路提供的，单片机的指令周期，机器周期和状态都是以外接晶振为基础的。凌阳单片机内部集成了PPL电路可以将系统提供的实时时钟32768Hz进行倍频，系统默认的PPL自激振荡频率为24.576MHz。在凌阳SPCE061A中，通过对P_SystemClock单元写入来选择不同的CPU时钟频率，本文根据需要选择了24.576MHz作为CPU时钟频率。本文使用的定时器TimerA和TimerB的时钟源也是对实时时钟通过频率选择组合成的。图3-5 系统时钟电路Fig.3-5 System clock circuit3.3.3 复位电路设计复位是指单片机各寄存器变为默认值的操作。通过在RESB端加低电平就可以复位。复位电路如图3-6所示。图3-6 系统复位电路Fig.3-6 System reset circuit当电压低于2.2V时，系统会处于不稳定的状态中，导致电压低的原因很多，如负载过重，电池电量低等。电压低于2.2V达到4个时钟周期时会产生复位信号，系统复位。除此之外，还有上电复位，手动复位和看门狗复位。复位时还应注意一些问题。首先，I/O芯片是否和CPU一起复位。只有一起复位才不会发生错误。其次，SPCE061A复位时FFF7H和其他单片机有所不同。其三，复位时IO口和控制寄存器的状态也很重要。复位时如果I/O口的状态随之改变，系统的稳定性就会很差。3.3.4 人机交互电路设计人机交互电路包括两个部分输入和输出。为了使柔性针刺针控制系统便于携带，操作简单，输入部分选用4X4矩阵键盘，数字按键可以预先设置步进电机所需要的转速和脉冲数，进给和后退按键设置进给电机的运转，顺时针和逆时针按键可以设置自转电机的运动以达到对柔性针进给和自转的精确控制。其电路图如图3-7所示,按键布局图如图3-8所示31。图3-7 键盘电路设计Fig.3-7 Circuit design of keyboard图3-8 键盘布局图Fig.3-8 Keyboard layout chart为了能够让医生看到进针的情况，选择了LCD501液晶屏作为柔性针刺针系统的显示输出。LCD501是12864点阵式液晶显示屏，其电路图如图3-8所示。图3-8 液晶显示电路图Fig.3-8 Diagram of LCD display circuitry3.3.5 通信电路设计柔性刺针控制系统在刺针前需要用MATLAB对刺针的轨迹经行规划。这就需要PC机的协助。当然也可以直接把得到的参数直接输入到下位机控制系统，为了实现柔性针刺针系统的多种运行方式，即在上位机通过程序和下位机通讯完成参数的传递，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可以集成电路芯片，这里采用MAX232CPE芯片进行电平转换。利用凌阳SPCE061A 的通用异步串行模块(UART)，它采用全双工标准接口，实现了在SPCE061A芯片与外设之间进行串行通讯，其接收引脚RX 和发送引脚TX分别与IOB7和IOB10共用。电路图如图3-9所示。图3-9 串口通信电路图Fig.3-9 Serial communication circuit diagram3.3.6