（机械工程专业论文）核磁兼容气动针刺手术机器人控制系统设计.pdf

摘要 本文以核磁共振成像导航前列腺针刺手术机器人控制系统为研究对象，开发 了机器人控制系统，并对机器人驱动气缸的位移伺服控制进行了研究。主要包括 控制系统硬件选择与软件设计、气缸位移伺服系统数学模型建立及模糊滑模控制 器的设计等方而内容。通过系统仿真对控制器稳定性进行了研究，并结合软组织 针刺实验对控制系统及控制器性能进行了实验验证。主要工作及成果概括为以下 几个方面： 首先，针对核磁兼容性要求，总结了核磁兼容机器人控制系统的设计难点及 方法，并确定了将控制器置于核磁室外的方案。对控制系统控制硬件进行选择， 设计相应软件系统。对气动系统进行设计，完成了气动回路设计及气动元件的选 择。最后根据确定方案搭建了具有较长气管及信号传输线的控制系统。 其次，确定了p w - m 驱动开关阀控气缸位移伺服控制系统方案，采用平均化 方法建立了包括气缸活塞系统、气缸腔内流体系统、开关阀及长气管的系统数学 模型，并基于该模型设计了带有边界层厚度参数的模糊滑模控制器。 最后，建立系统仿真模型，对控制器性能进行了仿真研究，得出了模糊滑模 控制器对气管长度、负载等参数变化具有较强稳定性及模糊控制器具有较好的消 振结果的结论。并通过气缸位移伺服控制实验和软组织针刺实验，对控制系统的 性能进行了验证： 本文研究成果具有较高的理论意义及应用价值，在核磁共振成像导航手术机 器人控制系统设计及具有长气管的气缸位移伺服系统研究与应用中具有一定的 探索意义，并为后期核磁环境中的系统实验打下了良好基础。 关键词：核磁共振成像导航前列腺针刺机器人控制系统气缸位移伺服控制 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h em a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g1 m p d ) g u i d e dp r o s t a t en e e d l ei n s e r t i o nr o b o ta st h er e s e a r c ho b j e c t t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h er o b o ti sd e v e l o p e da n dt h ep o s i t i o ns e r v oc o n t r o1o ft h ep n e u m a t i cc y l i n d e rw h i c h a c t u a t e st h er o b o ti sr e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n t sc o n t a i nt h es e l e c t i o no ft h ec o n t r 0 1 s y s t e mh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l c o n s t r u c t i o n o fp n e u m a t i cc y l i n d e rp o s i t i o ns e r v os y s t e m ，t h ed e s i g no ft h ef u z z ys l i d i n g m o d e c o n t r o l l e ra n ds oo n t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e ri sr e s e a r c h e dt h r o u g hs y s t e m s i m u l a t i o n c o m b i n e dw i t ht h en e e d l ei n s e r t i o ne x p e r i m e n to ns o f t - t i s s u e ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o n t r o l l e ri sv e r i f i e d t h ea c h i e v e dr e s u l t s a r ed e s c r i b e da sb e l o w ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fm 对c o m p a t i b i l i t y , t h ed i f f i c u l t i e sa n dt h e s o l u t i o n so ft h ec o n t r o ls y s t e md e s i g no ft h em r ic o m p a t i b l er o b o ta r es u m m a r i z e d t h es c h e m et h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi sp u to u t s i d et h em r ir o o mi sc h o s e n t h e h a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc h o s e na n dt h er e l a t e ds o f t - w a r es y s t e mi sd e s i g n e d t h ed e s i g no ft h ep n e u m a t i cs y s t e mi sa c h i e v e d ，t h ep n e u m a t i cc o n t r o lc i r c u i ta n dt h e p n e u m a t i cc o m p o n e n t sa r ec h o s e n a tl a s t ，t h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hc o n t a i n sl o n g p n e u m a t i ct u b ea n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nl i n ei sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ed e t e r m i n e d s c h e m e s e c o n d l y , t h ep w mc o n t r o l l e dp n e u m a t i cc y l i n d e rp o s k i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m s c h e m ew h i c hc o n t r o l l e db yo n o f fv a l v e si sd e t e r m i n e d t h ea v e r a g em e t h o di su s e d t oc o n s t r u c tt h es y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc o n t a i n st h em o d e l so f t h ec y l i n d e r l o a ds y s t e m ，f l u i ds y s t e mi nt h ec h a m b e ro ft h ec y l i n d e r , 0 1 1 o f fv a l v ea n dt h el o n g p n e u m a t i ct u b e t h ef u z z ys l i d i n g m o d ec o n t r o l l e rw h i c hc o n t a i n st h ep a r a m e t e ro f t h et h i c k n e s so f t h eb o u n d a r yl a y e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ep r o p o s e dm o d e l f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e ri s r e s e a r c h e db ys i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h ef u z z ys l i d i n g m o d e c o n t r o l l e rh a sh i g hs t a b i l i t yt ot h ep a r a m e t e rv a r i a t i o no ft h el e n g t ho ft h ep n e u m a t i c t u b ea n dt h el o a da n dt h ef u z z yc o n t r o l l e re f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h es y s t e mc h a t t e r i n g a r eo b t a i n e d e x p e r i m e n t so f p n e u m a t i cc y l i n d e rs e r v oc o n t r o la n dn e e d l ei n s e r t i o no n s o f t t i s s u ea r ep u to u tt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v eh i g ht h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u e i nd e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fm r i + g u i d e ds u r g i c a lr o b o ta n d t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ep n e u m a t i cc y l i n d e rs e r v os y s t e mw i t hl o n g p n e u m a t i ct u b e ，t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eac e r t a i ne x p l o r a t o r ys i g n i f i c a n c e t h e r e s u l t sa l s ol a yg o o df o u n d a t i o n sf o rt h es y s t e me x p e r i m e n t si nt h em r i e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：m r jg u i d a n c e ，p r o s t a t en e e d l ei n s e r t i o nr o b o t ，c o n t r o ls y s t e m ， p n e u m a t i cc y l i n d e rs e r v oc o n t r o l 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 医疗机器人是集机器人学、医学、生物医学、机械学、材料学、力学和计算 机图形学等多学科为一体的交叉研究领域，具有广泛的应用前景和重要的研究价 值，目前是机器人领域的研究热点【l 】。随着机器人技术的发展，越来越多的机器 人被应用于医疗领域中，特别是在外科手术领域【2 】。医疗机器人的迅速发展促进 了传统医学的革命，同时带动了新理论和新技术的发展，已经形成新的高新产业， 因此对医疗机器人的研究具有广泛的意义【3 j 。 国内外学者对外科手术机器人进行了广泛的研究，已经出现了较为成熟的外 科手术机器人系统。其中，z e u s 和d av i n c i 系统是迄今在微创手术领域发展中 技术最复杂和最成熟的商业机器人。1 9 9 6 年，美国c o m p u t e rm o t i o n 公司推出 z e u s 遥操作机器人外科手术系统，如图1 1 所示。该系统主要针对微创胸腹腔 手术，采用主从遥操作技术，分为主手子系统和从手子系统两个系统，主手子系 统由一对遥操作主手和监视器构成，从手子系统由两个用于定位的机器人和控制 内窥镜位置的机器人组成。2 0 0 0 年，美国i n t u i t i v es u r g e o n 公司成功开发出 d a v i n c i 外科手术机器人系统，如图1 - 2 所示。系统由医生控制台、各种手术器 械、手术床和图像处理设备构成。医生通过控制操纵台上的主手来控制手术平台 的从手进行手术。d av i n c i 系统能够为医生提供和开放手术相同的运动范围和直 觉组织处理能力。z e u s 和d a v i n c i 系统具有较多相同点，它们均是主从式遥操 作手术机器人系统，都包括手术机器人和操作台两部分。且两大系统都能够过滤 医生手的颤抖，对医生手的运动按一定比例进行放大【2 j 。 罔1 - 1z e u s 手术机器人系统 第一章绪论 孙逡， 瀵 辫瞒鹣氛 鎏! 罔1 2d av i n c i 外科手术机器人系统 尽管国内在医疗机器人领域起步较晚，但取得了一些成果。海军总医院和北 航机器人研究所研发了称为“遥操作远程医用机器人”的智能远程外科手术系统。 并利用该系统进行了临床实验 4 。以天津大学为主研制开发的“妙手”主从操作 显微外科手术机器人已经成功进行了对i m m 动脉血管的剪切、缝合动物实验k j 。 手术导航i g s ( i m a g e g u i d es u r g e r y ) 越来越多被应用于临床手术中。通过使用 手术导航，医生的视觉范同得到了延伸，并有效提高了手术的精度，缩短了手术 时间。另外手术导航的应用有利于信息存储及网络传输，是实现远程手术协作的 关键技术【5 。 日前，应用于手术导航的成像技术主要有视觉与医学影像技术。其i h 医学 影像技术主要包括超声波成像( u s ) 、x 射线、计算机断层摄影( c t ) 和核磁共振成 像( m r i ) 。基于c t 及u s 的手术导航都是利用术前规划的图像来实现定位，而 c t 适合骨组织手术，超声波成像清晰度较差。u s 、c t 及m r j 对同一部位的成 像对比如图1 3 所示。m r i 能多方位、多参数和多平面成像，具有优良的软组织 分辨率和精确的几何特性，目没有射线危害【6 8j 。与传统医学成像相比，m r i 更 适合于术中实时导航，特别是针对软组织。 m r j 导航的手术机器人也具有更大的优势。其精度高，能够完成许多医生 不能完成的动作，同时能够避免放射性治疗时对医生健康的侵害。 而m r i 导航的手术机器入面临的主要问题是核磁仪物理空间有限及核磁仪 中存在高场强磁场。在目前普遍使用的标准核磁共振仪中，用于放置病人的空间 是一个大约为矽6 0 0 m m x2 0 0 0 m m 的圆柱形区域。核磁共振仪结构如图1 4 所示。 第一章绪论 ( a ) u s( b ) c t ( c ) m r i 图1 3u s ，c t 及m r i 对前列腺的成像对比 在放置完病人后机器人的工作空间有限，这就要求其在结构上紧凑。另外标 准核磁仪的场强一般为1 5 t ，这就要求机器人的材料、驱动元件及传感器满足 核磁共振兼容要求。核磁共振兼容性包含两个方面：核磁仪中工作的机器人对 m r i 成像质量没有影响和核磁仪中的磁场对机器人的工作不产生影响9 1 0 】。因 此，对核磁兼容手术机器人的研究具有重大意义。 1 2 研究现状 r “。一 图1 - 4 核磁共振仪物理空间结构图 1 2 1 国内外核磁兼容手术机器人相关技术的发展现状 核磁成像导航手术机器人的核磁兼容性问题是目前该领域的研究重点。主要 包括核磁兼容驱动器和核磁兼容传感器的研发以及满足核磁兼容性要求的控制 系统研究。 在核磁兼容手术机器人的众多组成部分中，驱动元件和传感器对其性能影响 最大。而与驱动器及传感器配套的控制器等其它元件也大多不是核磁兼容 t l j 2 。 冈此，核磁兼容驱动器和传感器是核磁成像导航机器人中的关键技术。 ( 1 ) 核磁兼容驱动器 核磁兼容的驱动方式主要有流体传动、压电传动、静电及电流变传动等。这 3 薯 二一 第一章绪论 些方式在原理上是核磁兼容的，由于传统驱动器中包含核磁不兼容的零部件，须 对零件进行核磁兼容替换，但核磁兼容材料多为非金属及少量金属材料【l 五1 4 j ，而 传统驱动器中多采用钢或铝合金等材料，简单的替换将降低驱动器的性能。因此， 如何既保证驱动器的性能又保证核磁兼容性要求是设计核磁兼容驱动器的主要 问题。 目前应用于实际的核磁兼容驱动器较少。有学者采用了将传统驱动器置于核 磁室外，再远程驱动核磁室内相应机构的办法 1 5 , 1 6 。此方法应用较少，因为远程 传动容易产生传动误差且对传动装置的核磁兼容性提出了要求。 s t o i a n o v i c i 【”，1 8 等开发出了数款核磁兼容气动驱动器，其中一款名为 p n e u s t e p 的气动步进马达，如图1 - 5 ( a ) 所示。该马达为完全核磁兼容，由非铁磁 性及非导电性材料构成。m e l z e r 【1 9 】等设计了一款核磁兼容的气缸，该气缸由非铁 磁材料构成，如图1 5 ( b ) 所示。f i s c h e r 等人与厂家合作，订制了一款核磁兼容的 气缸，如图1 - 5 ( c ) 所示。该气缸型号为a i r p o t a c l 3 2 7 0 【2 0 】。 黪蛰 ( b )( c ) 图1 5 核磁兼容气动执行器 油压驱动具有精度高及运动慢速平滑等特点f 2 1 1 。但液压油泄漏限制了其在医 疗机器人中的应用，因此核磁兼容油压驱动器须满足较高防泄漏要求。k o k e s 等 人设计了一套液压驱动核磁兼容机器人叫， 如图1 6 ( a ) 所示。图1 6 ( b ) 为油泵、 控制阀和其他元件。在该系统中，核磁兼容液压缸被置于核磁室中，而油泵和控 制阀等不满足核磁兼容要求的元件被置于核磁室外。 图1 - 6 核磁兼容液压缸 ( b ) 第一章绪论 基于压电效应的驱动器是目前比较常用的核磁兼容驱动器。它分为旋转及直 线运动电机两种，如图1 - 7 ( a ) 、( b ) 所示。 爹一1 篓_ | ：埘壤，一 图1 7 核磁兼容超声波电机 超声波电机的基本结构和原理与传统的电磁式电机完全不同【23 2 4 】，其利用逆 压电效应将电能转换为机械能，再将机械振动转换为直线或旋转运动。但有学者 指出超声波电机运行时会影响核磁成像【，5 】。也有学者针对这个问题提出了在核 磁环境中运行超声波电机的可行性方案【2 6 ，2 7 j 。 电流变技术利用电流变液的电流变效应，通过外加电场控制材料流变特性。 k h a n i c h e h 等人开发了一款名为m rc h i r o d 的核磁兼容电流变液辅助手持装 置，主要用于中风患者的康复治疗，其中电流变液主要用于产生治疗所需的阻力 2 8 ，2 9 1 ，如图1 8 所示。c h a p u i s l 3 0 】通过将基于电流变液的制动装置与超声波电机 相结合，实现了输出力和力矩的调节及高质量的力触觉再现。 图1 - 8m rc h i r o d 康复辅助装置 ( 2 ) 核磁兼容传感器 传统位移传感器在原理上讲大部分都不是核磁兼容的，只有光学编码器从原 理上满足要求。在很多核磁兼容机器人，光学编码器被用作位移传感器【1 9 1 1 3 1 卫 。 f i s c h e r 【3 3 】在3 t 核磁环境下对一款含少量金属元件的光! 学编码器进行了核磁兼 容性测试，如图1 - 9 所示。结果显示该编码器能够在核磁环境中正常运转，无丢 数现象。但该编码器对核磁成像产生了影响，影响区域为编码器周边大约2 5 c m 气 瓣罐。等 溪绷盈圈裂l瞪貅飘黔黪融鬃 参黪一蠹 第一章绪论 的区域中。 图1 - 9u sd i 西m l 模块式光栅尺 g a s s e r t 3 4 1 针对编码器对核磁成像产生影响的问题，指出产生原因是编码器所 测的电信号在核磁室内传输。而采用只在核磁室内传输光学信号的方法即可解决 该问题。即先将由编码器的光学信号经光纤传输到核磁室外，再转换成所需电信 号。美国m i c r o n o r 公司推出了一款功能上与传统编码器相当的核磁兼容编码器， 在，如图1 1 0 所示 3 5 】，但其价格昂贵。 图1 1 0m i c r o n o r 核磁兼容编码器及转换模块 力扭矩传感器用于控制和获取机器人末端执行器的力或扭矩，具有十分重 要的作用。不少学者也针对核磁兼容的力扭矩传感器进行了研究。图】1 1 为几 款核磁兼容的力扭矩传感器 3 4 1 ，图1 1 ( a ) 为用聚甲醛制作的扭矩传感器，图l l ( b ) 为专为超声波电机设计的扭矩传感器，图1 l ( c ) 为平面两自由度的力传感器。 6 第一章绪论 ( a )( b ) 图1 - 1 1 核磁兼容力力矩传感器 1 2 2 针对前列腺癌的手术机器人的发展现状 嗣 放射性粒子植入治疗已成为早期低危前列腺癌的标准治疗方式。与传统手术 相比，粒子植入治疗具有操作简单、方便及时间短的特点，而且创伤小，无切口。 与外照射治疗相比，其能够应用实时医学图像精确地将放射源植入前列腺中，保 证周围正常组织不受伤害【3 6 | 。 目前针对前列腺癌的近距离放射性治疗大多基于超声波成像导航，但超声波 成像准确率低，影响粒子植入精确度。而核磁共振成像成像精度高，对人体软组 织具有较高分辨率且具有较高软组织区分度。因此，基于核磁共振成像导航的近 距离放射性治疗手术机器人可以更为精确地完成粒子植入。 图1 1 2k r i e g e r 开发的手动驱动核磁兼容机器人 k r i e g e r 1 5 】等开发了一套手动远程驱动的两自由度核磁兼容机器人，用于核 磁导航前列腺经直肠活检过程。整个系统工作于核磁共振仪中，已完成了对狗的 实验和第一例临床手术，如图1 1 2 所示。其他的系统主要由基于压电效应的驱 动器和气动液压等核磁兼容的驱动器驱动。基于压电驱动器的系统见于图 1 1 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 。其中图( a ) 为基于m r i 实时导航的用于经直肠前列腺活检 的机器人系统，该系统具有5 个白由度，全部由超声波电机驱动h 川。k r i e g e r 【j 酬 开发了如图( b ) 所示的机器人系统，该系统具有两个自由度，各自由度均由压电 第一章绪论 陶瓷电机驱动。但针刺过程需要人工完成。如图( c ) 所示，g o l d e n b e r g 3 9 1 等开发了 一套封闭式m r i 兼容的用于前列腺介入治疗的机器人系统，该系统完全由超声 波电机驱动，目前已经完成对样机的制造与测试。如图1 1 3 ( d ) 1 4 0 所示，作者开 发一套超声波电机驱动用于前列腺活检及近距离放射性治疗的机器人系统。该系 统由一个3 自由度的针刺驱动模块及一个空间三自由度的移动平台组成。系统样 机已完成了核磁兼容性实验。 黛 ( b ) ( d ) 图1 1 3 基于压电驱动器的核磁兼容机器人 气动驱动器驱动的系统较多，m u n t e n e r 4 l 】开发了第一款核磁兼容用于近距离 放射性治疗的自动机器人系统圳b o t ，如图1 4 ( a ) 所示。m r b o t 能够自动 完成近距离放射性治疗中的粒子放置且由他们自主研制的核磁兼容气动驱动器 p n e u s t e p 驱动。具有五个自由度的m r b o t 能够根据需要将末端执行器对准并导 向，但m r b o t 造价相当昂贵且结构复杂。f i s c h e r 3 1 】开发了一款新型的用于经 会阴前列腺近距离放射性治疗的机器人辅助系统，如图1 4 ( b ) 所示。该套系统由 气缸驱动具有两个自由度：水平和垂直方向平动。但该系统的针刺过程为手动完 成的，而针尖的定位由机器人完成。s o n g 4 2 开发了一套新型的采用核磁兼容气 缸作为驱动器的用于经会阴前列腺近距离放射性治疗的机器人系统，该系统采用 加入摩擦轮及带轮的方法改进了气动系统控制性能，如图1 4 ( c ) 所示： 第一章绪论 图1 1 4 基于气动驱动器的核磁兼容机器人 1 2 3 气缸位移伺服控制研究现状 气缸位移伺服系统的低成本、清洁及较高功率重量比等特点是其相对于机电 伺服系统最大的优势。但由于其时滞性和模型的非线性，使得很难对气缸位移进 行精确控制，其应用范围受到了限制。目前的气动位移伺服控制系统中多采用开 关阀、比例方向阀及比例压力阀作为控制阀。其中开关阀具有价格低、易于数字 量控制及对安装工作环境要求低等优点。针对开关阀控气缸位移伺服控制系统的 离散非线性特点，国内外较多学者对其进行了研究。研究的重点主要是系统模型 及控制算法的改进，但忽略了长气管导致的时滞因素的影响。 v a r s e v e l d 4 3 建立了p w m 气缸位移伺服系统的离散线性控制器，并取得了 较好的控制效果。s h i h t 4 4 , 4 5 采用模糊p w m 方法实现了对气动伺服系统的控制。 t a g h i z a d e h 通过改进气动回路提高了p w m 气缸位移伺服控制系统的轨迹跟踪能 力。改进的方法为使两个开关阀同时由一路p w m 信号控制【46 | 。另外t a g h i z a d e h 等人使用智能矢量量化神经网络( m p w m ) 方法建立了控制参数的选择算法。结合 改进的p w m 控阀脉冲算法，实现了气动伺服控制。在上述方法中，所使用的控 制器是在线性离散模型或没有建模的基础上设计的，没有考虑气动控制系统的非 线性特征。 为建立开关阀控气动伺服系统的非线性连续模型，有学者采用了平均化方 法。t a g h i z a d e h t 4 7 】建立了p w m 驱动的快速开关阀的非线性动力模型，建立过程 中利用输入p w m 信号占空比值与开关阀芯在一个p w m 周期内的平均移动位移 成正比的线性关系进行了简化。s h e n l 4 8 1 通过建立一个p w m 周期内的平均流量的 计算方法，建立了p w m 非线性模型的等效连续模型。并在该模型基础上建立了 滑模控制器。 国内方面也对p w m 驱动高速开关阀控气动伺服系统进行了研究。孟宪超【4 刈 等采用修正差动脉宽调制方法，并采用模糊控制与p i 控制相结合的控制策略， 对基于开关阀气动位控制系统进行研究= 土晓明【5o 等提出了高速开关阀控气缸 系统的单端封闭p w m 开关阀控制两种工作模式。并在通过仿真得到的系统动态 9 第一章绪论 及静态特性的基础上提出了单端封闭的阀控气缸系统控制方法，并通过实验验证 了其可行性。聂聆聪5 u 等设计了一种p w m 线性化控制方法，并通过仿真证明了 该种控制方法可以提高系统的自振频率，减小固有抖动的振幅。 1 3 本文研究内容 本文以核磁共振成像导航针刺手术机器人控制系统为研究对象，探讨和研究 核磁兼容控制系统设计方法及p w m 驱动开关阀控气缸位移伺服系统的控制方 法。主要内容包括机器人控制硬件和软件的选择及设计、阀控系统的等效连续线 性数学模型的建立、带有边界层厚度参数的模糊滑模控制器的设计及对系统进行 的仿真及实验验证。 第一章：阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究现状，并 提出本文主要研究内容。 第二章：对核磁共振成像导航手术机器人机械结构、驱动器及传感器进行介 绍，并对其控制系统及气动系统设计进行阐述。 第三章：基于平均化方法建立具有长气管气缸位移伺服系统数学模型，基于 此模型设计带有边界层厚度的滑模控制器，并设计模糊控制器调节边界层厚度减 小系统抖振。 第四章：建立系统仿真模型，对控制器性能及控制器对气管长度、负载等参 数变化的稳定性进行仿真研究，结合气动实验平台对控制器性能进行了实验验 证，并进行机器人针刺精度验证实验。 第五章：对全文进行总结，并对此后的工作进行展望。 1 0 第二章机器人介绍及控制系统设计 _ _ i 一 2 1 引言 第二章机器人介绍及控制系统设计 由于核磁共振仪用于放置患者及机器人的物理空间有限，且核磁室中存在较 高强度的磁场，因此核磁共振成像导航手术机器人需满足核磁兼容及核磁仪物理 空间兼容要求。其中，核磁兼容包括两方面内容，即在核磁仪内工作的机器人不 受核磁仪高场强磁场的影响以及机器人在核磁仪内工作不会对核磁仪工作和成 像产生干扰。而物理空间兼容是指机器人需结构紧凑，能够在核磁仪狭小空间中 灵活工作。核磁兼容对机器人材料、驱动器及传感器选择提出较高要求，物理空 间兼容则对机器人尺寸及工作空间提出要求。同时核磁兼容性对控制系统设计也 提出了特殊要求。 本章将分析使核磁共振成像导航手术机器人控制系统满足核磁兼容性的难 点，提出解决方法，并按所确定方法完成对控制系统总体设计、控制硬件选择及 软件设计和气动系统设计等工作。 2 2 机器人介绍 2 2 1 机器人机构介绍 本机器人主要针对核磁共振成像导航下的前列腺经会阴近距离放射性治疗。 机器人需要实现两大功能，即确定针刺方向及通过针刺将放射性粒子送入指定位 置。为实现这些功能，机器人需要具有足够自由度。机器人机构示意图如图2 1 所示，具有5 个自由度，各自由度见表2 1 。 图2 - 1 机器人机构示意图 ) ( 第二章机器人介绍及控制系统设计 表2 - 1 机器人自由度 机器人由三部分构成：平动摇摆模块、垂直俯仰模块以及针刺模块。为实现 针刺手术，机器人需要完成针的定向以及针刺这两个动作。其中，前两个模块用 于实现针刺针定向，针刺模块实现针刺将放射性粒子植入指定位置。在针刺模块 中采用了丝杠螺母机构，s c o t t r u s s e l l 机构则用于其它模块。为增加机器人刚度， 在平动摇摆模块、垂直俯仰模块中，采用了双s c o t t r u s s e l l 机构。机器人三维模 型如图2 - 2 所示，图2 3 为机器人实物图。 积j ， i 、 ，：， 答j 备 j 鲁j o 图2 2 机器人三维模型图 罔2 - 3 机器人实物图 第二章机器人介绍及控制系统设计 2 2 , 2 机器人驱动器及传感器介绍 核磁兼容机器人驱动器及传感器需满足核磁兼容性要求。而传统的基于电磁 效应的驱动器如电动机等都不是核磁兼容的，目前市场上出现的核磁兼容驱动器 种类较少且价格昂贵，主要包括核磁兼容气动执行器和核磁兼容基于压电效应的 电机。在本机器人中，选用了核磁兼容的气缸及核磁兼容超声波电机作为驱动器： ( 1 ) 核磁兼容气缸 如图2 4 昕示，本机器人选用a i r p o t 公司生产的核磁兼容气缸，该气缸已经 推向市场，型号为a i r p o ta c l 3 2 7 0 。气缸各组成元件均由核磁兼容性较好的材料 制作，其中缸壁由玻璃钢制作，活塞及密封件由石墨制作，而活塞杆则采用黄铜 制作，其结构示意图如图2 5 所示。另外其具有低摩擦的特点，最低摩擦力只有 o 0 1 n 3 1 j 。气缸主要参数列表见表2 - 2 。 与传统气缸相比，该气缸在使用过程中有如下特殊要求：气缸不需要润渭， 采用润滑措施将破坏气缸的低摩擦特性。为使气缸达到最佳性能，需使用滤芯精 度至少为5 微米的凝聚过滤器对气源过滤= 一 ：- 。一 一一：二：= ： 锢l 董事审警窭 图2 。5 气缸结构示意幽 ， 。率二 第二章机器人介绍及控制系统设计 表2 2 气缸主要参数 型号a i r p o ta c l 3 2 7 0 3 缸径 9 3 m m 行程 1 5 2 4 m m 活塞杆：黄铜 活塞：石墨 密封件：石墨 制作材料 缸壁：玻璃钢 行程末端缓冲件：硅树脂橡胶 其它：工程塑料 ( 2 ) 超声波电机 超声波电机在基本结构及原理上完全不同于传统的电磁式电机，其利用压电 材料的逆压电效应，将电能转换为振动机械能，进而将振动转换为直线运动或旋 转运动，其在理论上是核磁兼容的。超声波电机具有大转矩、低速、断电自锁、 噪声小及不受磁场干扰等优点。但它输出功率较小，只能用于驱动功率要求较低 的机器人。在本机器人中选用p i e z o t e c 公司的p u m r 4 0 型超声波电机，用于驱 动丝杠螺母机构进行针刺，如图2 - 6 所示，详细参数见表2 3 。 冬掣 图2 - 6p u m r 4 0 超声波电机图2 7 核磁兼答m r 3 1 8 编码器 表2 3p u m r 4 0 超声波电机参数 型号p i e z o t e cp u m r 4 0 轴径 驱动频率 额定旋转速度 额定扭矩 最大扭矩 重量 响应时间 6 m m 3 4 3 7 l 沮z 8 0 r p m 1k g f c n l 大于1 7 k g f c m 9 1 9 小于0 1 m s ( 3 ) 核磁兼容编码器 本机器人具有5 个自由度，需要5 个位移传感器，而对于针刺自由度，由于 所j 昀买的超声波电机带有光学编码器，因此只需考虑另四个自由度的位移传感器 1 4 第二章机器人介绍及控制系统设计 选择。与核磁兼容驱动器相似，商用的核磁兼容的位移传感器也较少。2 0 1 0 年 美国m i c r o n o r 公司推出世界上第一款核磁兼容旋转编码器m r 3 1 8 35 1 ，如图2 7 所示，表2 4 为编码器参数，该编码器全部采用核磁兼容性材料制作，且与普通 编码器信号传输原理不同，其先将测得的位移信号转换为光学信号，通过光纤传 输到核磁环境外，再在核磁环境外将光学信号转换为电信号。在机器人中，编码 器用于测量各s c o t t r u s s e l l 机构的转动角度。 表2 - 4m r 3 1 8 编码器参数 型号m r 3 1 8 分辨率 光学接口 光纤长度 温度湿度范围 重量 轴径 3 6 0 p p r s t p c 1 0 m 封闭实验室环境 2 8 0 9 6 m m 2 3 控制系统设计 2 3 1 控制系统总体设计 与机器人机构设计过程中需要考虑核磁兼容性要求相同，在控制系统设计过 程中同样需要考虑。对核磁兼容机器人控制系统来说，核磁兼容的办法主要有两 种。其一卜一种为将控制系统整体置于核磁室内，这种方法对控制系统硬件核磁兼 容要求较高，控制柜需覆盖e m i 屏蔽罩，且放置位置需与核磁仪保持一定距离。 这种方法对控制硬件要求较高且不能完全保证其核磁兼容【3 1 1 。另一种方法为将 控制器置于核磁室外，机器人与核磁仪问通过较长距离的动力传输线及信号传输 线相连。该方法对控制系统硬件无核磁兼容性要求，且能完全保证核磁兼容，但 长距离的动力及信号传输线对系统控制提出了较高要求。 综上所述，在本机器人控制系统设计中选用第二种方法。其中，主要存在以 下两个难点。第一，编码器位移信号在核磁室内长距离安全传输的问题。第二， 驱动器与控制器间的长距离传输线对驱动器控制性能的影响。针对二述问题，采 用如下解决办法。 ( 1 ) 采用核磁兼容的光纤传输编码器信号，并在核磁室外通过编码器信号转 换模块将光信号转换为电信号。 ( 2 ) 在控制器设计过程中，充分考虑长距离传输线对控制性能的影响，通过 对长距离传输线建模，结合智能控制算法，研究其对系统性能的影响，从而实现 对具有长气管系统的有效控制。详细内容将在第三章中进行研究。 第二章机器人介绍及控制系统设计 控制系统总体示意图如图2 8 所示。从图中可以看出，机器人置于核磁仪成 像区域中，而控制系统置于核磁室外，两者之间通过信号传输线及气管连接。其 中信号传递线传输超声波控制信号及编码器输出信号。对于核磁室外的控制系 统，采用p l c 作为低阶控制器，用于接收编码器及压力传感器信号，并控制电 磁阀。计算机作为高阶控制器，用于处理核磁仪图像信息经运动学分析得出机器 人气缸及超声波电机位移信息，并直接控制超声波电机。 2 3 2 控制系统硬件介绍 图2 - 8 控制系统示意图 ( 1 ) p l c 控制器 在本系统中，p l c 选用o m r o n 公司的c p l h 型小型多功能机，如图2 - 9 所示，其具体参数见表2 5 。因为p l c 需要接收压力传感器信号，所以需要添加 模拟量输入扩展模块。选用o m r o nc p m l a - a d 0 4 1 型模拟量输入单元，如图 2 1 0 所示，参数见表2 - 6 。 表2 5p l c 参数 型号c p l h x 4 0 d d 输入输出点数 高速计数器 脉冲输出功能 串行通信功能 输入中断功能 用_ 程序容量 数据存储容量 输入2 4 点、输出1 6 点 1 0 0 k h z ( 单相) 5 0 k h z ( 相位差) 4 轴 1 0 0 k h z 4 轴 u s b 、r s 2 3 2 c ( 可选) 和 r s 4 2 2 a 4 8 5 ( 可选) 8 点 2 0 k 步 3 2 k 字 输入信号范围 分辨率 转换时间 一1 0 1 0 v0 5 v0 1 0 v0 - 2 0 m a1 5 v 4 2 0 m a 1 6 0 0 0 2 m s 点 盐至 i ：! 翌一 图2 - 9o m r o nc p l h 型p l c 图2 1 0p l c 模拟量输入扩展模块 ( 2 ) 超声波电机控制器 超声波电机选用p i e z o t e c hp s v - x 4 d 控制器，主要功能是对超声波电机的实 时速度及位移控制，如图2 - 1 1 所示，表2 7 为其主要参数。其特点为通讯接口 丰富及可二次开发，并为用户提供了控制界面。 图2 - 1 1 超声波电机控制器 图2 1 2m r 3 1 0 型编码器转换模块 尺寸 1 1 0 x 1 4 0 x 4 5 通讯方式 r s 2 3 2 4 2 2 ，r s 4 8 5 超声波电机接口 1 2 0 v r m s ( 3 ) 编码器转换模块 1 7 第二章机器人介绍及控制系统设计 编码器转换模块用于将编码器输出光学信号转换为标准编码器输出信号。选 用与编码器配套的m r 3 1 0 型转换模块，如图2 1 2 所示，具体参数见表2 8 。该 转换模块接口丰富，具有推挽线性驱动相位差式方波信号输出及模拟量信号输 出。同时具有较丰富的通讯接口，可以方便的实现与计算机通信，对其进行参数 设置及编码器校准，控制界面如图2 1 3 所示。 表2 - 8 编码器转换模块参数 型号 m i c r o n o rm r 3 1 0 输入功率( v a ) 尺寸 通讯方式 超声波电机接口 编码器接收信号 2 4 1 5 1 1 0 x 1 4 0 x 4 5 r s 2 3 2 4 2 2 ，r s 4 8 5 1 2 0 v r m s 相位差输入 图2 1 3m r 31 0 编码器转换模块控制界面 2 3 3p l c 控制原理图 p l c 作为专为工业生产环境设计的控制设备，其具有高可靠性和抗干扰能力 强的特点。在本系统中，p l c 作为低阶控制器用于控制开关阀及接收编码器、压 力传感器的输出信号。其中，共包括8 个开关阀、2 个压力传感器及4 个编码器。 开关阀连接p l c 数字输出单元，编码器经编码器转换模块设定输出信号为推挽 式方波信号，细分为4 倍频信号，连接p l c 高数计数器单元。压力传感器输出 信号为模拟电压信号，连接p l c 扩展模数转换模块。输出及输入端子分配如表 2 - 9 和表2 1 0 所示。p l c 主单元及扩展单元接线图如图2 1 4 和图2 1 5 所示。p l c 控制程守由o m r o nc x p r o g r a m m e r 软件编制。 篁三兰塑登坌塑丝笙型墨竺堡盐 一 表2 - 9p l c 输出端子分配表 输出端子 ；车垃 - _ _ _ _ _ _ _ _ = ，_ = i j = 七段 望堕塑曼! 垡2 1 0 0 c h0 0 1 固态继电器 0 1固态继电器2 0 2固态继电器3 0 3固态继电器4 0 4固态继电器5 0 5 固态继电器6 0 6固态继电器7 0 7固态继电器8 c o m 端 2 4 v 电源负极 表2 1 0p l c 输入端子分配表 0 4编码器3 a 相输出 0 5编码器3 b 相输出 0 6编码器2 a 相输出 0 7编码器2 b 相输出 0 8编码器1 a 相输出 0 9编码器1 b 相输出 l o编码器4 a 相输出 1 1编码器4 b 相输出 c o m 端 2 4 v 电源正极 3 c h vi n1j 盘力传感器l 墒亍l vi n2压