（控制理论与控制工程专业论文）脊柱微创手术机器人运动控制器的设计与研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 高态 2 0 1 0 年5 月2 7 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目脊柱微创手术机器人运动控制器的设计与研究 姓名高杰学号 2 1 2 0 0 7 0 2 6 4 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 6 日 论文类别博士 口 学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业控制理论与控制工程 联系电话13 6 8 2 0 0 9 0 7 2e m a i l g a o j r o b o t n a n k a i e d u c r l 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学伯苓楼耖。器人所( 3 0 0 0 7 1 ： 备注：是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 一一- - - i _ l l l - 一 南开大学学位论文使用授权书 根据南开人学关于研究生学位论文收藏利利刚管理办法，我校的博士、硕十学位获 得者均须向南开人学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开人学有关研究生学位论文收藏和利川的管理规定。南开人学拥有在 著作权法规定范嗣内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开人学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图j 5 馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有关规定，南开犬学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图二珏馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h u n 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开人学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩： 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如冈不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权二 5 签署一式两份，由研究生院和幽j 持馆留存。 作者暨授权人签字： 崮壅： 2 01 0 年6 月f 只 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目脊柱微创手术机器人运动控制器的设计与研究 姓名高杰学号 2 12 0 0 7 0 2 6 4 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 6 日 论文类别 博十口学历硕士d 硕+ 专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所 信息技术科学学院 专业控制理论与控制l ：科 联系电话 l3 6 8 2 0 0 9 0 7 2 e m a i l g g g s c v 12 6 c o r n 通信地址( 邮编) ：天沣市南开人学伯苓楼机器人所( 3 0 0 0 71 ) 备注： 是否批准为1 f 公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签宇后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：高盎2 0 1 0 年5 月2 7 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 申请密级 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0 年月日 审批表编批准日 2 0 年月 口 期 日 丐 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于l o 年) 摘要 摘要 目前，微创手术技术应用于脊柱外科领域，还存在着诸多困难：如需多次 c t 扫描以确定插入人体内的手术器械的位置；穿刺针极易误入椎管而造成致命 伤害。南开大学机器人研究所在“8 6 3 计划的资助下，研制了基于c t 图像导 航的脊柱微创手术机器人系统。该系统利用自身定位精度高、无颤动、抓持稳 定等特点，解决了上述问题，保证脊柱微创手术的安全进行。 本论文详细论述了以f p g a 为核心器件的脊柱微创手术机器人运动控制器 的设计与实现。其中主要内容包括： 1 基于坐标线性变换的触摸屏标定和映射方法，运用s o p c 技术和硬件描 述语言设计了触摸屏采样控制电路，实现了控制器的人机交互功能。 2 利用n i o s 系统的自定义指令技术，设计了c p u 与c a n 总线控制器 ( s j a l 0 0 0 ) 的接口，较之以往的连接方法，通讯效率有了很大的提升； 3 设计了双c p un i o s 系统结构，将控制器的通讯部分工作从控制算法部 分中分离出来并行执行，进一步提升控制器的硬件性能。 4 针对脊柱微创手术机器人的特点，对机器人运动控制算法进行了研究。 包括关节电机正弦加减速控制、单轴定位的p i d 控制、机器人多轴联动 控制以及末端工具运动路径规划等。所有的控制算法均给出了m a t l a b 下的仿真结果，部分算法使用c 语言在控制器中实现并给出实际运行结 果。 在完成了机器人系统的研发工作后，使用本机器人实验样机进行了包括活 体动物实验在内的几项脊柱穿刺手术相关的模拟实验，并对结果进行了分析， 验证了机器人系统设计的有效性，为今后的改进及应用于临床打下基础。 关键字：脊柱微创手术f p g a 触摸屏c a n 总线自定义指令运动控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea l em a n yd i f f i c u l t i e si ni n t r o d u c i n gm i n i m a l l yi n v a s i v et e c h n o l o g yt ot h ef i e l d o fs p i n es u r g e r y f o re x a m p l e ，d o c t o r sn e e dt od oc ts c a n n i n gm a n yt i m e st oe n s u r e t h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h eo p e r a t i o na p p l i a n c e si n s e r t e di n t ot h eh u m a nb o d ya n dt h e i n f e c t i o na r e a ；t h en e e d l ei se a s i l yi n s e r t e di n t ot h ev e r t e b r at u b ew h i c hw i l ll e a df a t a l i n j u r eo ft h ep a t i e n t t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，w i t ht h ef i n a n c ea s s i s t a n c eo f8 6 3 p r o j e c t , t h er o b o t i c si n s t i t u t eo fn a n k a iu n i v e r s i t yd e v e l o p p e dac ti m a g e g u i d e d m i s sr o b o t i cs y s t e m w i t ht h ef e a t u r e so fh i g hp r e c i s i o ni no r i e n t a t i o n , n oq u i v e ra n d g r a s p i n gs t a b l e ，t h es y s t e mc a n e n s u r et h es a f e t yo fm i s so p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr o b o t i cm o t i o nc o n t r o l l e ro ft h e m i s sr o b o ts y s t e m , w h i c ht a k e st h ef p g aa si t sc o r ed e v i c e w i l lb ed i s c u s s e di n d e t a i l i t sm a i nc o n t e n t sa r el i s t e d 嬲f o l l o w s ： 1 t h em e t h o do ft o u c h - s c r e e n sc a l i b r a t i o na n dr e f l e c t i o nb a s e do nt h el i n e a r t r a n s f o r m a t i o no fc o o r d i n a t ei sp r o p o s e d ，m e a n w h i l e ，ak i n do fc o n t r o l m o d u l eo ft o u c h - s c r e e ni sd e s i g n e d ，i nw h i c ht h es o p ct e c ha n dh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( h d l ) a r eu s e d a n df m a l l yw ea c h i e v et h ef u n c t i o no f m a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o no ft h ec o n t r o l l e r 2 w i t ht h ec u s t o mi n s t r u c t i o n st e c h n o l o g yo fn i o ss y s t e m , a ni n t e r f a c e b e t w e e nc p ua n dc a nb u sc o n t r o l l e r ( s j a i0 0 0 ) i sd e s i g n e d c o m p a r e d 、析t ht h ef o r m e rc o n n e c t i o nm e t h o d ，t h er a t eo fc o m m u n i c a t i o ni sw e l l p r o m o t e d 3 t oe n h a n c et h eh a r d w a r ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e r , ad u a lc p u a r c h i t e c t u r ei sp u tf o r w a r d ，w h i c hm a k et h ec o n t r o l l e r sc o m m t m i c a t i o nt a s k a p a r tt or u np a r a l l e l 4 a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fb a c k l ：i o n em i s sr o b o t ，s o m er e s e a r c h e so n r o b o tm o t i o nc o n t r o la r ed i s c u s s e d ，s u c ha sj o i n tm o t o r ss p e e dc o n t r o li n s i n ec u r v e ，p i dc o n t r o l a l g o r i t h mi ns i n g l e a x i so r i e n t a t i o n ，r o b o t s m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o la n dp a t hp r o g r a m m i n go fe n dt o o l sm o v e m e n t a l lt h ec o n t r o la l g o r i t h m sh a v es i m u l a t i o nr e s u l t so nm a t l a bp l a t f o r m ， s o m ea l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e d 、析t hc l a n g u a g ea n dt h er u n n i n gr e s u l t s a r es h o w n i i i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 第一节项目背景1 第二节c t 图像导航脊柱微创手术机器人简介。2 1 2 1 机器人本体结构3 1 2 2 机器人运动控制系统4 1 2 3 运动控制器电路主体结构5 第三节运动控制器关键技术介绍6 1 3 1s o p c 技术一6 1 3 2n i o s 系统简介7 1 3 3v h d l 语言介绍8 第四节本文研究内容8 第二章机器人控制器人机交互功能实现1o 第一节机器人控制器人机界面设计1 0 第二节触摸屏的标定l0 2 2 1 二维坐标线性变换方法1 1 2 2 2 电阻式触摸屏非线性因素的考虑1 4 第三节触摸屏快速精确取点的实现1 5 第四节快速读取触摸屏稳定输出的方法2 0 第三章基于c a n 总线的机器人通讯系统的实现2 3 第一节c a n 总线简介2 3 i v 目录 第二节控制器中c a n 总线硬件实现2 4 第三节s j a l 0 0 0 与n i o s 系统的通讯方式2 5 第四节改进的s j a l 0 0 0 连接方法2 6 第四章机器人运动控制器的双c p u 实现3 3 第一节机器人运动控制器的任务3 3 第二节双c p u 内核n i o s 系统的引入3 4 第三节m u t e x 互斥核和f i f o 缓冲区3 5 第四节双c p u 收发c a n 数据流程3 9 第五章脊柱微创手术机器人运动控制策略研究4 2 第一节脊柱微创手术机器人运动学模型一4 2 第二节单轴步进电机控制方法4 5 5 2 1步进电机动态特性分析4 5 5 2 2 关节电机加减速控制。4 6 5 2 3 单轴定位的p i 控制和积分分离4 7 5 2 4 电机正弦加减速控制4 9 第三节手术工具运动轨迹的规划5 1 第四节实验设计和结果分析一5 4 5 4 1 坐标定位实验5 4 5 4 2 人体脊柱模型实验。5 5 5 4 3 动物实验5 6 第六章总结与展望5 8 第一节总结5 8 第二节展望5 9 参考文献6 2 致 射。6 4 v 第一章绪论 第一章绪论 第一节项目背景 微创脊柱外科手术( m i n i m a l l yi n v a s i v es p i n es u r g e r y , m i s s ) 是指通过运用 一些技术先进的特殊设备，如计算机导航系统、高分辨率x 射线机、c t ( 计算 机断层扫描) 或m 砒( 核磁共振) 成像设备、特殊脊柱穿刺针、自动拉钩和内 固定器材等，以最小的组织创伤和最小的生理干扰达到最佳手术效果的一种新 型治疗技术【l 】。m i s s 治疗的主要特点有：患者创伤小，m i s s 手术不仅切口很 小，同时它对人体组织的损伤也比传统手术小；疗效肯定，m i s s 的治疗效果并 不显著高于传统手术，但它至少达到或稍高于传统手术：术后恢复快，这一点 是m i s s 的真正意义所在，它以微小的损伤为代价获得良好的手术效果，这大 大缩短了患者的手术恢复时间1 2 驯。 纵观整个脊柱外科近半个世纪的发展历程，m i s s 始终与现代科技进步所带 来的手术器械设备的创新息息相关。早在1 9 6 4 年被报道的s m i t h 等人首先使用 木瓜蛋白酶进行椎间盘脊髓核化学溶解术来治疗腰椎间盘突出症，揭开了微创 脊柱外科发展的序幕【4 】。其后，随着临床技术水平的提高、内窥镜技术的引入 以及手术器械的不断革新，关节镜、胸腔镜和腹腔镜等先进的微创外科技术被 应用于脊柱外科领域，从而逐步形成了微创脊柱外科，并且指明了脊柱外科未 来发展的新方向p 】。 但是，目前微创脊柱外科领域仍存在着一些难以解决的问题。例如，手术 医生必须凭借自己的经验和主观判断，操作手术器械进入患者体内病灶部位， 医生的经验丰富与否在这里就变得极为重要；同时，医生长时间进行手术后， 操作手术工具会有疲劳感，从而对手术质量有一定的影响；另外，对于某些手 术，在整个过程中，医生会暴露在医学影像设备下，身体会受到射线的辐射， 对健康非常不利。 引入机器人技术是解决以上问题的一个有效途径。机器人具有速度快、精 度高、可控性好、不怕疲劳、耐辐射、耐腐蚀等优点，利用它来完成手术工具 的精确定位，控制手术工具进行精密操作，对于提高手术质量，同时使手术结 国科学家和医务人员的极大兴趣，并纷纷展开了研究工作。由以色列的m a z o r s u r g i c a lt e c h n o l o g i e s 公司研制的“脊柱助理( s p i n ea s s i s t ) ，是一台高精度的 手术定位装置，它能在进行脊柱手术时帮助医生确定植入体的放置位置，或确 定手术工具进入患者组织的位置，有效避免了周围神经受到不必要的损伤【7 j 。 韩国韩阳大学( h a n y a n gu n i v e r s i t y ) 开发了一套机器人辅助脊柱外科手术系统， 该系统由机器人本体、手术规划系统和光学导航系统三部分组成，它可以实现 对手术器械的定位与运动控制，协助医生完成一些脊椎手术的操作，其特点是 定位精度高。美国的c o m p u t e r m o t i o n 公司利用研制a e s o p 系列机器人所积累 的计算机和机器人方面的技术经验，成功开发出一套功能强大的视觉系统，并 推出了z e u s 机器人外科手术系统，该系统可用于实施微创手术，且已经实现 产业化【3 1 。 第二节c t 图像导航脊柱微创手术机器人简介 由南开大学和天津医科大学总医院合作开发的脊柱微创手术机器人，是将 c t 机的医学成像和图像处理技术与智能机器人技术、现代控制技术相结合，利 用机器人定位精度高、抓持工具稳定等特点，为医生搭建一个可靠的手术操作 平台，医生可以在这个平台上顺利完成脊柱穿刺等手术。 本脊柱微创外科手术机器人系统具有以下几方面的功能： 1 医学图像采集：由c t 机在术前拍摄患病部位的图像，将c t 图像信息 解码输出到计算机； 2 病灶点识别与定位：由计算机对接收到的数字图像进行处理，识别并精 确定位病灶部位，对病灶部位建立虚拟手术环境，并提供病情信息，根 据医生制定的手术方案，规划出手术工具的运动路径，为医生提供虚拟 的手术试验环境； 3 机器人辅助系统：接收计算机提供的手术工具运动信息，控制手术工具 按照规定的路径运动，辅助医生完成脊柱微创手术工具介入治疗。 本论文所介绍的机器人系统是南开大学机器人与信息自动化研究所研制的 第二代脊柱微g j j 夕b 科手术机器人系统。与第一代相比，它在以下几个方面做了 2 第一章绪论 改进： 1 改进了机器人本体的机械结构，为末端手术工具增加了一个旋转自由 度，使手术工具在空间中的运动更加灵活，以适应末端手术工具的操作 位置与姿态； 2 使用自主研发的步进电机驱动器，以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型电 机控制专用d s p 芯片为核心，并采用了步进电机电流细分驱动方式以 及数字p i d 控制算法进行电流调节，使机器人各轴的定位更加精确； 3 以f p g a 为核心设计的机器人运动控制器，并采用了先进的n i o s l i 软核 处理器，它功能强大，配置灵活，且拥有一定的数字处理能力，是控制 器功能实现的基础1 9 j ； 4 使用c a n 总线将运动控制器与各轴电机驱动器相连，为控制指令的快 速、安全传输提供保障； 5 使用8 4 英寸彩色液晶屏，全触摸式操作，使人机交互更加方便灵活； 6 增设了一个运动操作摇杆，可直接对机器人的位姿进行控制，它简化了 初始的标定工作，并为手术中医生对机器人位姿进行微调提供了方便； 7 更为完善的上位机操作软件，提供了c t 图像处理、病灶识别、病灶部 位三维建模以及虚拟手术环境建立等功能。 1 2 1 机器人本体结构 c t 图像导航脊柱微创手术机 器人主体结构具有三个平动自由 度和两个旋转自由度，以及一个进 针自由度，外形如图1 1 。 机器人主体由以下部分构成： 三条分别平行于x 、y 、z 空间直 角坐标轴的滚珠丝杠，以及可在丝 杠上运动的滑块：三条平行与丝杠 放置的光栅尺；每条丝杠的一端安 图1 1c t 图像导航脊柱微创手术机器入主体 装有一个步进电机，其转轴与丝杠相连；两个用于使手术工具进行旋转运动的 码盘；用于安装在c t 机床导轨上的支架。 三条滚珠丝杠在与之相连的步进电机的带动下可以旋转，使其上的滑块移 动，进而带动末端手术工具在操作空间中沿x 、y 、z 坐标方向上平动，与丝杠 平行放置的光栅尺用于读取每个方向上的运动距离。两个用于控制旋转的步进 电机及其减速器可以带动手术末端工具做旋转运动，两个电位器用于读取旋转 的角度。与末端手术工具相连的码盘用于读取穿刺针刺入患者身体的深度。支 架用于将机器人本体固定于c t 机床上，横跨于病人上方，以便进行手术。 1 2 2 机器人运动控制系统 c t 图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统可以根据c t 机获得的病人 病灶部位图像，以及手术医师规划的手术进针路径，自动快速、准确地将机器 人末端手术工具对准病灶部位，从而辅助医师快速实施手术。该控制系统可将 机器人末端手术工具的定位精度控制在1 毫米以内。 机器人运动控制系统主要由以下部分构成：5 个步进电机驱动器，1 个运动 控制器，1 台用于控制、管理、规划的计算机( 上位机) ，以及一条连接以上所 有部分，用于各部分之间通讯的c a n 总线。 运动控制系统结构图如下： c a r 总线 x 转跑 桃驱动 光橱尺 y 轻吨 机驱动， 光栅尺 z 轴电 机驱动， 光栅尺 1 号旋转 轴电机 驱动 2 雩旋转 轴电机 驱动 旋转轴， 迸针位 置反谤 图1 2 机器人运动控制系统 运动控制器根据上位机或用户的命令，向五个步进电机驱动器发送运动 4 绪论 旋转，同时，控制器还可以实时显示 出机器人各关节的运行状况。 运动控制器由电路板，一块液晶屏，一块触摸屏和一个运动操作摇杆组成。 电路板是运动控制器的主体，主要用于进行与运动控制相关的计算以及运动控 制器其他部分的信号处理工作。液晶屏用于实时显示脊柱微创手术机器人在手 术过程中各运动轴的工作状态，触摸屏用于对控制器相关参数的设定，这两部 分构成了运动控制器的人机界面。操作摇杆可直接用于操作手术机器人的末端 位姿，它主要用于手术前的机器人标定工作。 步进电机驱动器根据运动控制器发出的速度指令控制步进电机以相应速 度旋转，从而拖动机器人各个关节运动，同时，驱动器还不断读取光栅尺( x 、 y 、z 轴) 、电位器( 两旋转轴) 及码盘( 穿刺针) 的位置信息，反馈给运动控 制器，从而形成位置闭环控制。步进电机驱动器的核心是t i 公司的2 4 0 7 a 型 d s p 处理器，并采用了步进电机细分驱动技术，减小了步进电机步距角，提高 了步进电机的分辨率，进而提高了机器人的定位精度i l 。 上位机上位机是医生操作机器人的主要平台，同时也参与手术规划和机 器人的控制。它的任务有： 1 获取c t 机图像，并进行相应的图像处理； 2 为医生提供规划手术、操作机器人的界面； 3 机器人坐标系与图像坐标系之间映射计算； 4 机器人运动学与逆运动学的计算，机器人路径规划； 5 将最终计算得出的机器人位姿转换为机器人各个关节的运动距离，并 将此距离信息发送给运动控制器，后者据此完成定位任务。 1 2 3 运动控制器电路主体结构 本机器人运动控制器使用现场可编程门阵列( f p g a ) 作为核心器件，选用 了美国a l t e r a 公司生产的c y c l o n e l i 型f p g a ( e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n ) ，它拥有8 2 5 6 个逻辑单元( l e ) ，2 个全功能的锁相环，1 8 个能运行在2 5 0 m h z 的1 8 1 8 位 的硬件乘法器，用于高效地实现数字信号处理中常见的乘法操作。其中还内嵌 了3 6 个4 k b i t 的m 4 kr a m 模块，每个模块的数据传输速率均超过2 5 0 m h z ， 它们可以被配置为不同类型的存储器；包括单端口和双端口r a m 、r o m 以及 f l a s h 和s 凡m 芯片， 为f p g a 中n i o s 系统程 序运行提供存储空间。 由外接的l c d 显示 模块和通过a d s 7 8 4 6 串 行模数转换芯片连接的 四线电阻触摸屏，构成了 完整的控制器人机交互 界面。 使用s j a l 0 0 0 芯片 连接到c a n 总线上，使 控制器可以与控制系统 中的其他单元实现实时 图1 3 机器人运动控制器电路结构 高效的数据交换。同时还拥有一条备用的r s 2 3 2 总线与上位机相连。 第三节运动控制器关键技术介绍 1 3 1s o p c 技术 本运动控制器是以f p g a 为核心设计而成的，它的各种功能的实现主要采 用了s o p c 技术。 随着微电子技术的发展，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编 程门阵列) 作为一种可编程逻辑器件，得到了越来越广泛的应用。由于目前的 f p g a 芯片的制作工艺不断进步，其集成度不断增加，同时具有强大的并行处 理能力和灵活方便的动态可重构性，因此该项技术被广泛应用于各领域。然而， 对于实现复杂的数学运算，f p g a 却远不如r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ，精简指令机) 处理器简单灵活。因此，在设计那些同时具有复杂控 制算法实现和简单控制逻辑输出的系统时，往往需要将f p g a 和r i s c 结合使 6 第一章绪论 用，s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 技术由此应运 而生。 s o p c 技术是一种特殊的嵌入式系统，是由美国a l t e r a 公司最早提出的概 念，它用单个芯片实现整个系统( 其内部至少包含一个嵌入式处理器内核) 的 主要功能，同时，它是可编程的系统，具有设计灵活、可扩充、可裁减、可升 级以及软硬件在系统可编程的特点【1 2 】。 针对s o p c 的设计技术几乎涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，从以 c p u 和实时多任务操作系统( r t o s ) 为核心的软件设计技术，到以信号完整 性分析为基础的高速p c b 设计技术，s o p c 还涉及了目前被普遍关注的软硬件 协同设计技术。 1 3 2n i o s 系统简介 作为s o p c 技术主要应用的一个方面，基于f p g a 的嵌入式软核系统， 以其极大的灵活性，和高性能、低成本的特点，得到了广泛的应用，n i o s 系列 处理器正是嵌入式软核处理器的代表。 n i o si i 系列软核处理器是a l t e r a 推出的第二代基于f p g a 的嵌入式处理器， 可以实现于a l t e r a 的s t r a t i x 、s t r a t i xg x 、s t r a t i xi i 和c y c l o n e 系列f p g a 上。 它的主要特点有： 1 完全的3 2 位指令集和数据地址总线； 2 拥有可灵活配置的指令和数据c a c h e ，和多达3 2 个通用寄存器； 3 3 2 个带优先级的外部中断源； 4 单指令实现3 2 x 3 2 乘除法，并产生3 2 位的结果； 5 可方便地访问多种片上外设，以及片外存储器和外设接口； 6 内部硬件实现了调试模块，配合a l t e r a 专用的开发环境可以进行 c p u 的开始、停止、单步运行和察看寄存器或内存空间等调试工作； 7 在不同的n i o s 系统中，拥有完全兼容的指令集结构； 8 性能高达1 5 0 d m i p s 以上i l 引。 n i o s i i 系列软核处理器为不同的用户需求提供了n i o s i i f ( 快速型) 、n i o s i i s ( 标准型) 和n i o s i i e ( 经济型) 三种产品，用户可以根据自身需要，在f p g a 资 源占用量和系统性能指标上找到平衡。n i o s i i 还允许用户自己设计c p u 指令， 吞吐量，其多主机体系结构大大提高了系统带宽，有效缓解了系统运行瓶颈。 v h d l ( 超高速集成电路硬件描述语言) 是一种用于电路设计的高级语言， 由美国国防部为提高美军电子设备的设计可靠性和缩减开发周期而提出，后经 i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 进一步发展成为硬件描述语言的业界标准之 一，在电子设计领域得到广泛的接受，并得到了众多e d a 公司的支持。目前， 它主要用于f p g c p l d 等可编程逻辑器件的设计，当然也可被用来设计a s i c 。 与其他硬件描述语言相比，v h d l 的优势在于： 1 功能强大，可描述同步电路、异步电路和随机电路： 2 设计方法灵活，同时支持自底向上设计和自顶向下设计；既可进行模块 化设计，又可进行层次化设计； 3 更强的行为级描述能力，使它能够避开具体硬件器件，而从逻辑行为上 描述和设计大规模系统； 4 采用基于库( l i b r a r y ) 的设计方法，可以调用已有的功能模块，易于设 计的共享和复用； 5 拥有大量e d a 工具的支持，对于确定的设计可直接进行编译、综合和 优化，并自动转换为门级网表； 6 丰富的用于仿真的语句和库函数，便于开发者随时对设计进行仿真模 拟，以验证系统设计方案的可行性。 第四节本文研究内容 本文以国家8 6 3 高技术研究计划资助的，由南开大学与天津医科大学总医 院联合承担的“基于术中c t 图像导航的脊柱微创介入式治疗系统 课题为背 景，介绍了本人在脊柱微创手术机器人运动控制系统核心运动控制器的设 计研究过程中的主要工作和成果。该部分的工作可分为三个方面： 1 硬件电路设计了以f p g a 为核心器件的运动控制器电路，其中包括 8 部分工作已由前人基本完成，不是本人工作的主要内容。 2 硬件逻辑这里主要运用了f p g a 设计方法和s o p c 技术，在以n i o s l i 为核心的系统中，不断改进系统架构，尝试新的设计方案，通过实验数 据比较，找到一个最佳的功能实现途径，使系统得到最大限度的优化， 提升系统性能，为复杂控制算法的实施提供硬件基础。 3 控制算法研究针对由步迸电机拖动的机器人系统的控制方法，其中包 括以p i d 算法为基础的单轴定位方法，以及机器人多轴联动、末端工 具运动路径规划方面的研究。所有的控制算法均给出了m a t l a b 下的 仿真结果，部分算法已用c 语言实现并成功应用于机器人实际控制中。 论文各章节的安排如下： 第一章介绍了微创脊柱外科的发展背景和机器人技术在该领域中的应用情 况，并在此基础上介绍了c t 图像导航脊柱微创手术机器人的总体设计，及其 控制系统的构成。 第二章论述了作为运动控制器人机界面的输入设备触摸屏的相关功能 的实现。这里针对本控制器的实际需要，使用硬件描述语言，分担了c p u 的部 分工作，减轻了c p u 的负担，从而提高了控制器的性能。其中提出了两种触摸 屏控制器的设计方案，并分别作了具体分析。同时还提出了用于触摸屏标定的 相关算法和实现方法。 第三章介绍了如何使用n i o s 的自定义指令功能来提高系统对c a n 总线控 制器s j a l 0 0 0 的访问效率。最后给出了具体的实验数据来佐证该方案明显优于 之前的设计方案，同时从系统架构的角度对这一结果作了定性的分析。 第四章我们在系统中引入了第二个c p u ，分担了主c p u 通讯方面的工作 量，进一步提升了控制器的工作效率。这里将着重介绍如何使用软、硬件协同 设计的手段，保证两个c p u 安全、协调、高效地工作。 第五章将研究针对c t 图像导航脊柱微创手术机器人的运动控制策略，这 里将给出m a t l a b 的仿真结果和机器人实际运行的结果。最后进行了包括动物 实验在内的几项脊柱穿刺手术相关的实验并做了分析。 第六章将在总结本人两年来工作的基础上，对该课题今后的研究工作提出 一些意见。 9 第二章机器人控制器人机交互功能实现 第一节机器人控制器人机界面设计 机器人系统的人机交互操作是指人与机器人之间的通讯，这种双向的交流 包括机器人通过输出设备将自身运行的状态信息提供给人，同时使用者可通过 输入设备将指令传达给机器人，于是在人与机器人之间便存在一个相互作用的 界面，即人机界面，所有人与机器人之间的信息交流以及控制操作都是通过这 一人机界面实现的。 在本项目中，脊柱微创手术机器人运动控制器主要通过一块触摸屏和液晶 屏来实现人机界面。其中，液晶屏用来实时显示机器人各关节的运行状态，手 术进程以及病人的相关信息等内容。而触摸屏则是操作者的主要输入手段，通 过它可修改机器人的运行参数，并可以直接控制机器人的各个关节。图2 1 给 出了机器人人机界面的硬件结 构。 其中，液晶屏使用的是一块 8 4 英寸t f t 真彩屏幕，拥有 6 4 0 4 8 0 的分辨率，并且购买了 配套的显示驱动模块，这大大简 化了我们对液晶屏显示的编程工 作。触摸屏选用了四线电阻式触 图2 1 机器人运动控制器人机界面硬件构成 摸屏，并用一片a d s 7 8 4 6 模数转换芯片来采样它的输出。这样的人机界面设计 使得用户对机器人的控制简单直观，且整个系统有较好的扩展和升级能力。 下面将介绍触摸屏功能的具体实现方法，它是人机交互过程中的主要输入 手段。 第二节触摸屏的标定 触摸屏安装在液晶屏的正上方，用户可以透过它看到下方液晶屏中的内容， l o 并决定手指碰触的位置。模数转换芯片可以捕获到碰触点的坐标，并传输到处 理器，后者据此可判断用户的意图。其中一个重要的问题是，如何判断碰触点 在空间上与液晶屏中的哪个像素点重合，或者落在哪一群像素点的区域内。一 个最简单的解决思路是：将程序运行过程中所涉及到的所有图形按钮都显示出 来，然后将触摸屏安装好，逐个点击这些按钮，记录下触摸屏的采样坐标值， 并将它们以常量形式存入代码中作为判断用户动作的依据。 这种方法简单易行，不涉及任何计算并且很好的避免了触摸屏阻值分布不 均匀等非线性因素的干扰。但缺点也很明显，标定过程相对繁琐，特别是对于 拥有大量人机交互操作的系统，一旦由于老化、热胀冷缩或碰撞造成的触摸屏 的机械形变或与下方液晶屏之间相对位置发生改变，则对所有按钮的标定又要 重新进行。 2 2 1 二维坐标线性变换方法 下面我们讨论一种基于坐标线性变换的解决方法。 以本项目中所用的液晶屏为例，为8 4 英寸6 4 0 x 4 8 0 像素t f t 屏，因此屏 幕上任何一像素点可用一组坐标( 五c d ，) 来确定，其中五c d 为0 至6 3 9 之间的整数，k 为o 至4 7 9 之间的整数。触摸屏经a d 采样后可得触碰点坐 标( 置坳，) ，其中两个方向上的采样值均为0 至2 5 5 之间的整数。但是 作为四线电阻式触摸屏，由于加工工 艺的限制，其上的阻值分布不能保证 均匀，这里先暂且忽略这一非线性因 素的干扰。另外，触摸屏上的有效触 碰范围与液晶屏的显示范围的尺寸 不完全相吻合，但这不会对这种标定 方法产生影响。 我们将两个线性坐标系分别固 定在液晶屏和触摸屏上，当这两者在 图2 2 液晶屏与触摸屏坐标系关系 空间上的相对位置固定后，就存在一个唯一的线性变换将触摸屏上的一点映射 到液晶屏相同的位置上。 i 发 l c d 、 p a d ) 分别为固定于液晶屏和触摸屏上的两个坐标系，二者处于 第二章机器人控制器人机交互功能实现 同一平面，相对位置如图2 2 所不。 可以认为坐标系 艘田是坐标系 把d ) 旋转口。角后再沿向量埘平移后得 到的。由线性代数的知识可得，对于任意一点p 在两坐标系中的描述矧p 和叫p 具有以下变换关系： 捌p 。删l c d k p a a p + 脚p 脚 ( 2 1 ) 其中 删l e dk = i f c s o m s ；- 咖s i n 习o 晓2 ， 为旋