（精密仪器及机械专业论文）无框架立体定向手术系统——位置伺服控制设计.pdf

摘要 近年来，医疗机器人成为研究热点。本课蘸缀研究设计一个瘸子艟终科手术的无 藏黎立体定向手术机器入系统，它集立体庭离、计箨枧影像学、红夕 线僖号追踩颡， 几 器人舀动亿技术等技术子一体。梳器人手术系统瑟求嵩位甏精度，本文针对手拳杭嚣 入执行器的位簧控制遂行研究。 作者针对手术梳器人位覆控铷系统中的位嚣执行嚣、位嚣控捌尊法魏位鬻反馈信 怠处理等进行r 系统的磷究。在系统的设计开发中，首先对遥择的位置执行器进行数 学模型躲建立，在此基锻上建立了p i d 袋踅控铡的动森缝橡方程，劳采用m a t l a b 仿 粪分析确定最佳p i d 控剁参数。其次 乍者暴用光电编码嚣作为位鬣传蘩器并盈利灞了 r s - - 2 3 2 标漆接口建立了多功能控潮器与上位机筋之闻的位鬻信息传输；最后作者以 上位枫为乎螽运用v i s u a lb a s i c 语言编写税窗化溯试软件，托测试软件蠲于检验上 位机鄹多功控测器之间通信准确瞧和及时侄，以及位餐俪服控制系统位援控制的糕 确性。 经过测试平台检测，手术瓿器入位鬣控制达到了的稳态误慧藏围要求，并且运行 稳定，跟踪误箍小。 关键 蜀：无橇黎立体定离；手术机器a 电动极；m a t l a b 传真；光电编码器；测试 软俘 a b s t r a c t m e d i c a lr o b o th a sp l a y e da i ai n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h er e c e n td e c a d e t h er e s e a r c ht e a mh a s d e s i g n e df r m n e l e s ss t e r e t a x ys u r g i c a lo p e r a t i o ns y s t e mf o rb r a i ns u r g e r y i tg a t h e r sf r a m e l e s ss t e r e t a x y ， c o m p u t e di m a g i n g ，i n f r a r e ds i g n a lt r a c k i n g ，r o b o ta u t o m a t i o na n do t h e rh i g h t e c h t h e r o b o ts u r g e r y s y s t e mr e q u i r e sh i g ha c c ur a c yo fp o s i t i o n s ot h er e s e a r c ho nm a c h i n ep o s i t i o nc o n t r o li sc a m e d o u ti n p a p e r t h ea u t h o rr e s e a r c h e dt h es u r g e r yr o b o t s p o s i t i o nm a c h i n e ，p o s i t i o nc o n t r o la r i t h m e t i c ，a n d p r o c e s s i n go ft h ep o s i t i o nf e e d b a c kd a t as y s t e m i c a l l y d u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n ，t h ef i r s tt a s ki st o m o d e lt h es e l e c t e dp o s i t i o nm a c h i n e ，a n dt oe s t a b l i s hp i dp o s i t i o nc o n t r o ld y n a m i cf r a m e w o r ke q u n i o n ， a n dt ou t i l i z em a t l a bf o rs i m u l a t i n gt oa t t a i nt h eb e s tc o n t r o lp a r a m e t e r s t h es e c o n do n ei st oa d o p t o p t i c se n c o d ea sp o s i t i o ns e n s o r ，a n dt ou s er s 2 3 2c r i t e r i o ni n t e r f a c et om a k et h em u l t i f u n c t i o nc o n t r o l a n dp cc o m m u n i c a t e t h ef i n a lo n ei st oa p p l yv i s u a lb a s i cl a n g u a g et op r o g r a mt h et e s tg u i ，w h i c h c a n i n s p e c ta c c u r a c ya n dc e l e r i t yo f c o m m u n i c a t i o na n dp r e c i s i o n o f p o s i t i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m s t e a d ys t a t ee r r o r so f t h es u r g e r yr o b o tp o s i t i o nc o n t r o lm e e tr e q u e s td u r i n gt e s t i n g i tr u n ss t e a d i l y a n dh a ss i n a i lt r a c k i n ge r r o r k e y w o r d s ：f r a m e l e s ss t e r e t a x y ；s u r g i c a lo p e r a t i o nr o b o tm o t o r ；m a t l a bs i m l i n k ；o p t i c a le n c o d e ， t e s ts o f t i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以称注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过韵磷究成果，也不包含筏为获褥任何教育枕梅的学位或学 历丽使用过赡材斟。与我一圜工终的阏攀对本学位论文徽出的贡献均 逸在论文中作了明确的说明。 磺究生签名：慕燕边 2 0 0 5 年钼彳日 学位论文使用授权声明 南京瑾工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上嘲公布本学位论文的全部或部分内容，爵戳向有关部门或视构送 交并授权冀傈存、借阗或上阙公布本学位论文的全部或部分蠢容。对 于保密论文，按保密麴有关撰定秘程廖处理。 研究生签褒：奚垒! 垒2 0 0 5 年月，细 矗襄理t 大学颈，垂学位论文毙槛絮立体定离手术系统一位鹫商溅系统设计 1 绪论 1 1 医疗机器人技术发展 医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、桃械力学、材料学、计算机图形 学、计簿机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新烈交叉研究领域，已经成 为毽瓣狡器入镁域瓣一个磁炎热惑。嚣蔻，笼遴摊器入接零在医疗乡 科手术麓翅模羧、 微损伤精确定位操作、无损伤诊麟与检测、新粼手术医学治疗方法等方灏得到了广泛 的艨用，这不仅促进了传统医学鼙命，也带劫了新技术、新理论的发展“。 避年来，题方许多先进国家都进行专门立烦投资，积极开展医用枫嚣人方西的研 究+ 如美国国防鄢开展了t e l e p r e s e n c es u r g e r y 技术研究，潮于战场模拟、手术培训和 解割教学，n a s a 已经在美国加州与意大剥米兰之间进行了遮方面的试验。欧共体技 术专家m a u r i c e 在i e e es p e c t r u m 期刊中表示，欧共体正在制定一项新的计划， 其中穆穰器天辅秘努辩手术及纛瓣医疗毅术傍襄薅为耋点荟嚣究发震诗翻之一。磊本瞧 制定国家计划开展商技术医疗器械研究发展。许多著名的国际会议，裂i e e er o b o t i c s a n da u t o m a t i o n ，i e e ee n g ，i nm e d i c i n ea n db i o l o g ys o c i e t y ，i e e es y s t e m ，m a na n d c y b e r n e t i c s 等都将医鼹视嚣人与计算机辅粒夕 摹淳单独列为一个专题，程欧溅、美豳、 翻本等阐多次谣拜罄际会议”“。 目前，医疗机器人的研制主要集中在外科手术及康复和暇院服务机器人系统簿几 个方麟。 1 9 8 6 年，美鞫i b m 熬t h o m a sj 。v c a t s o n 疆究中心鞠麴簿j 福趸强大攀豹吾暑究入臻 玎始台作开发种创新的系统，以便进行筋骨整体置换手术。在此基础上，1 9 9 2 年 成立了i n t e g r a t e ds u r g i c a ls y s t e m s 公司并推戡了r o b o d o c 机器人系统，它是在传绕 工业极器人技术基勰上开发嚣成黪，可以完成全簸夤替换，麓雷萋按及修复积膝关节 置换等手术。1 9 9 4 筇，美国c o m p u t e rm o t i o n 公司研制成功a e s o p - - 1 0 0 0 型手术枫 嚣人”。a e s o p 系统延承了介入带术减轻患者瘸苦和损伤、康复快謦曩花销低的特点， 模仿人手臂的功能，并取消了对辅助人员等动掇制内窥镜的嚣要，提供眈人为控制更 糟确、爨一致懿镜头逡动，为送垒疆侯壹接、稳怒的手术褫辩。在魏鏊穑上，c o m p u t e r m o t i o n 公司分别于1 9 9 6 年1 1 月和1 9 9 8 年1 月研制成功世界上第一台用语音控制的 a e s o p - - 2 0 0 0 型外科年术机器人和第一台舆脊? 个自由魔的a e s o p - - 3 0 0 0 型外科手 术机器人。1 9 9 6 年襁，c o m p u t e rm o t i o n 公裁利用硒剁a e s o p 系列掇嚣入获累懿在 计鲜机鞠机器人方谣的关键技术，开发出功能强大韵视觉系统，推出了z e u s 机器人 外科手术系统，用于微剑伤手术。这个系统让外科医生突破了传统微倒伤手术的界限， 露废理工大学礤t 学位论文琵嘏絮莛体定南手术蕞统一位鼙事霹援系统设活 将手术精度和水平提高到新的高度，大大降低了病人的痛苦、手术创伤和手术费用， 缩短了康复时闽，嗣时也减轻了医生的疲劳强度。 2 0 0 0 年1 月9 嚣，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功开发出d av i n c i ( 达t 芬奇) 外 科手术机器人累统”1 ，它是目前为数不多的商品化的使用技术之一。它包括一个蹶生 控制平台、多功能手术床、各种手术器械和图像处理设备。手术医生在控制台上邋过 主手( 复裁医生鹣运动) 操 乍凝嚣人动络，遴过舞蘑扳采接麓亳矮羹夔褪凳系绞。多功 能手术床包括2 个机器人手臀和一个内窥镜挟持手臂。为避免损伤患者微细组织和神 经，内窥镜手臂在手术切口l c m 上回转。 近几年，在国内出北京航空航天大学机器入研究所、清华大学计算机图形图像中 心和海军总医院共同开发了遥操作远程医用机器人系统“3 。该系统主碧由影像获驳 传竣，发搬手术缴划、鏊耱据搬罄、病人头部( 痰灶) 整定装爨等部分缝成，可醴宠成 确定手术靶点、重建三维病灶轮廓、引导定位器械、定向手术系统等多个复杂步骤， 治疗脑部纵深瘸变凭霈开颅。这一手术突破了传统脑外科手术的定式，瘸人头上不必 并戴蓐熬的余淄框絮以辅助定位，病人造成的刨伤面比传统手术小得多，定位也较传 统手术精确。 国内这个遥操俸远程医用机器人系统的研制是以现代神经影像诊断技术、立体定 向外科和显微外科的技术以及嵩憔能计算机为藻础。此系统猩医学上又称神经导航系 统，毒牵缀导靛答统丸卡年代程滏踩上砑逐溪发栽建寒，鹣系绞戆应建霹潋提褰享串经外 科的手术质量，使其更安全、更可靠、更准确、更科学，魑传统手术理念的进步，能 大大提高各种常娥神经外科手术的精度，给病人带来极大的黼处：侵袭性减到最小； 减少膳发疰发生；节省手术时间；减少失血量；减小开矮嚣密；减少术 磊噩矗护时闽及住院天数。神经薄航系统为朱采种经岁 科发袋豹主流。冤箍絮立体定两 手术系统则是神经导航系统的代袭。 1 2 光糕架立体定向警术系统的发展 无框架立体定向手术系统属神经外科领域申出现的门新技术”，它是微侵袭神 经外科的一个萋簧缀戚部分。出于神经导航系统是从立体定向外科发展而来，故被命 名为无椴架立体定位系绫，鸯别予立体定囱夕 秘的有框架立体定位系统。黢立体定趣 外辩技术的发展过稷主要分两个阶段： 第一阶段：有框絮( f r a m e ) 脑立体定向阶段“ 1 9 0 8 年h o r s l e y 和c l a r k e 怠4 始三维脑立体定向技术，1 9 4 5 年s p i e g e l 和w y c i s 完簸有变淤来第次人_ | 蘧立俗定稳手本，骆立体定自学掰受上第二次突较是发璺兰程 1 9 7 9 年，b r o w n 震鹋* 用定位框架与c t 扫描超配准，用于神经系统非劝能性疾瘸。 影像学，放射外科学芹n 立体定向技术的有机结合，衍生出多种新型治疗手段，如脑赢 2 南京理t 火学硕j ：学位论文无框架立体定向手术系统一位置倒服系统改训 管造影定向技术，磁共振立体定向术，多普勒辅助立体定向术，内镜立体定向术，p e t 辅助脑立体定向术等。立体定向放射外科概念的引入和发展，伽玛刀，x 刀及质子束 放射系统的应用，使微创或无创的概念得到更进一步的深化。有框架脑立体定向神经 外科( 图1 2 1 ) 就此发展起来，手术过程是病人被局部麻醉后，把立体定向框架固 定在病人头部做c t m r i 扫描，根据影像确定手术穿刺靶点的位置。手术中依靠框架 的引导，把手术器械准确地送达指定位置。其缺点是机械框架会造成医生的手术视野 受到限制致使手术质量下降，并且由于框架的固定于人脑壳上，这样会给病人带来一 定痛苦。框架式的机械结构对于颅后凹及颅底手术有其局限性，尤其是不能随时将术 中的解剖结构及病变情况反馈给手术医师，导致其应用范围被限制。 图1 2 1 脊框架脑立体定向手术 第二阶段：无框檠( f a m e l e s s ) 脑立体定向藏影像导像神经矫科( i m a g e g u i d e d n e u r o s u r g e r y ) 1 9 8 6 年r o b e r t 及其同事介绍一种与c t 图像、显微镜相结合的无框架定向手术 系统，这个缴毅瓣戏念一逡理，迅速激起设计划遥廷框繁定囊手术数热潮，旋工程辩 技界和厂商结合f 出现了一系列无框架定向手术系统。 无框絮立体定位系绫不仅商三维空润定位系统，两基有实辩导靛功能，鄂可弓 簿 外科医生寻找颅内病灶。它不仅可做活检，而且可做显微外科各种手术( 图1 。2 2 ) 。 因此，无框架立体定位积超越立体走向外科。定向手术的传统做法是一副定向架、一 张x 线片、一张纸焉b 一支笔。这些依l 嚣是当代定向手术的罄本内容和操作步骤，即影 像的获得，治疗计划的制订及相互作用的手术，那魈早期的定向手术“技艺”今已发 展到先遴黢影缘导囊耨缀终科( i m a g eg u i d e ds u r g e r y ，o ri g s ) ，它是无柩蘩豹， 由神经影像，计算机及其软件技术与擞微神经外科相结合而成，它正逐渐成为广大神 经矫耱医生必须掌握的手零技术。 无框架立体定向手术系统的研究涉及众多领域的知识，关键技术包括：医学三缎 图像建模技术、虚拟手术仿真披术、邋操作网络传输技术、手术机器人操作机设计等 “。下节对这些关键技术进行麓单的阙述。 辩裘淫土大学硕七筝位论文无槎紫立体定鑫手零系统一位蓄瓣穗幕镜谩诗 幽1 。2 2 无框架脑立体定向手术 1 3 笼糕絮立髂定良学零幕缝鲍关键接拳 l 。医学三维图像建模技术 熬予x - r a y 、c t 、m r i 、p e t 镰医学图像进行3 d 建模，并旗子3 d 图像进行标定和 手拳娥划是医疗壤器久豹关键技术之一。计算帮毛裂爰这些瓣缘绩惑送行三维鹜像耋 建，为外科医生进行手术模拟、手术导航、手术定位、制定手术方案提供客观、准确、 直溅、科学的信息。闭时由于这些图像信息的离准确健和高研靠性，才存可能为精确 手术是傻提供控制继患源。 嚣翁国内外实鼯应瘸豹图像数据可视纯方法主要楚警域中的面绘制和体绘制蹰 大类。颟绘制技术可以获得实时、高质量的照示图像，并且内存需求相对较小，显示 逑皮很快，可以在微机上实现3 d 圈形的交互烂示。体绘制方法够显示时都要遍历 整个体数据集，诗露爨和淘眷溃糕非豢麓大，微蕊上雅黻实蕊实辩交互绘鬣。 3 d 可视化模型能够形象她发映人体器官的解剖结构或畸变特征，能够进行电子 解剖( 渤态旋转观祭、任意剖面驻示等) ，满足基础研究或临床诊断分析的需要。3 d 图像交曩分板功能傻蹶生能够袁接羲到蠢不箨楚扶2 d 图像上想象人体嚣露豹3 d 结 构。医生可以利用人体器官的畸形立体图像深入细致遗定性、定位和定量分析病理解 剖特征，完成手术模拟、术语前规划，从丽挝商诊断和治疗质量。 2 虚拟手术技术 在l 凌冻土不经镁傍硷溺器嚣整接应舔撬嚣人滋行手术驹娥麓往菲鬻黼。羧葑匏检溅 方法就怒建立套虚拟手术系统，按照手术策舔在计算机上形象化地预演整个手术过 程，从中发现不足，纠正错误，激剿确定最往豹手术方案。 寝拟手术技术童谣是，霹计算枧虚羧瑷实技术羁增强璇突皴术寒模拟、攒导撬嚣久 医疗手术中所涉及的备种过程，谯实现的胬的上包括手术计划制定、手术排练、术中 引导莉术后康复等。 4 游隶理天学项- 扛举鲢论文龙稚絮书体定向手术系统一位置伺般慧统设计 在实际操作时，一般将计算机处理的三维模型与实际手术获得的图像进行定位匹 酝，镬医生看别的图豫既有实际图臻，又整细了仿真嚣形，将想象的空翔与现实空间 ( 患者静术野) 结台并对应越来，这种基于图像信息丽梅成量位鬣吻合的假设空嘲g p 是增强现实( a u g m e n t e dr e a l i t y ) 。 目前，虚拟手术技术正逐渐成为一个新的研究方向，与之相关的蕃丹究主要包括： 医学虿程纯、嚣学遵强瑰实、芋零模掇、瓣像导藏帮辘秘手术技术簿。在软静方瑟戆 研究包括：基于计算机图形举的虚拟环境几何建模和仿真：基于复杂对象物理特陡的 运动学和动力学建模及可视化仿真；基于人类器官的传感信息描述和仿真；基于靡拟 联实技拳豹辩学可援化、入巍交互暴葱匏麓戆诧及鸯然纯等。 3 远程网络控镪 淹慧诗算糗技术戆飞速教栽，霹络艺经成为人弱生活串不可缺少的一部分了，它 给人们带来了诸多的咨询，增加了相互间的交流。实际上，从客观考虑，目前的机器 人还不可能完全自主完成所交付的任务故将人作为一个环节加入到机器人的控制系 统中，为机器人掇供实时的关键靛躲指导。制煺远程嘲络，不同地方的专家根据诊断 缩梁饶麓机器人，傻专家技能的敷挥不受空间鼹离的限制，缀大程度的提赢了机器人 的工作效率。此外，有些手术会脊放射性元索污染或辐射的斑殓，敖将手术人员放置 在舜地，对机器人进遥操作，从而避免了上述危险。值得注意的是邋过网络对机器人 控制存务- - 一些技术溪患霉要解决域改进，吃魏麴侮控髑鬻像豹黄输囊萋耱鬻像传输惩 逃，如n l 控：铷阚络搁塞的现蒙出现，网络传输过程中的安全性以及分布式网络之间的 交 f ：协渊住等等问题。这旱面既有网络架构的硬件设计阀题，又有客户端和服务器湍 软l 譬的建殴闻越。 4 手术机器入操作概设计 手术机器人设计中包括梳器人机构的设计、位置饲服系统设计。针对手术对象， 手术机器人可分为邋用和专捌手术机器人。一般来讲，专掰手术机嚣人出于针对某一 特定戆手术对象，癸其有与手术部位耱莲瓣豹缡擒形式( 热t o b o d o c “系绞) ，在设计 时要充分考虑人体结构特点，在嶷现功能的前提下尽量使结构简单。 邋用手术机器人可以完成人体不同部位假楣类似的手术，如心脏修笈、腮囊摘除、 藉戮艨切除手术等，z e u s t m 系统鞫d av i n c i “蓉绕就羼予邋蹋手术援器人。通露手术 机器入强设计时应究分考虑机器入的不同作渡环境和工作警闻，并研制与之相配套的 手术器械，以满足不同的手术需凝。 邋髑型和专用型手术机嚣人对位置伺服撩制系统设计都霄运行稳定、可靠性离、 定位精确赘要求，这爨保证手术濮穗进彳亍静壤本兹提。 5 玲索理工大学联一0 学位论文 冤攘繁立体定趣恭系统一位嚣彝搬畚统设计 1 4 本论文的主囊内容 谍题亲源子蠢京麦遭秘科技毒疆公弼黠无疆絮支传定囊手术援黎a 顼銎躲萏哥 发。 本次无框架：茈体定向手术机器人设计综合考虑医患的要求，对臌生操作者而吉， 要减少操作的复杂性，避免手术躲死受积手术进行中术辩遮挡；对患者丽言，要减少 恚嚣痛苦、援离手术的质量。因既设计申霈要注意良下三点：一) 基于标志点标楚的 无框架脑外科手术立体定向技术，包括图像分析和三维藏构；二) 手臂机械控制系统 的赢可靠性和商精确性( 机器臀末端误差小于- l - 2 m m ) ；三) 微侵袭手术通用平台与专 蠲瓣城设诗技术。 针对无框絮手术机器人系统设计中第二二个关键性技术，本文就手术机器人位黼伺 服控制系统的离精度和稳定性和跟踪性展开讨论。手术机器人采用5 r 机械结构满足 了手术操律范围的要求，为实现此枫棱绩橡在无框絮立体定向手术中准确位嚣镯g 爱控 蒂l ，俏服系统蠡| 多功能控蒂l 嚣、电动梳驱渤器、圆光 薅缡码器和无捌袁流伺服电税构 成。为确保项目研究成果的窝用性，并在全过程抓好成果转化和产业化工作，本文就 项蹦中位置伺服控制系统做针对性的设计。 由于无框架定向手术机器人系统要求典裔较高的定位精度而运行遴度没有特殊 要求，劳且出于安全考虑，要求逡霉亍速度较低，由此本文就位置伺服系统设计中存在 豹下翔溺遂展歼讨谂： fj ) 在5 r 结构中机座处的执行器运行误麓怒直接影响手术机器人末端央持器最终 倾俄精度( 谈麓小于：k 2 m m ) 和运行状淼( 跟踪漠差小) 的关键因索。在以往 姥类，。黠黪设诗中纹纹考纛对经曼精发熬提裹，穗实繇操终媾援楚挟嚣器鹣鼹 踪性也会浏犊影响手术效粜，因此如何对机座处执行器选择和避行控制方式及 算法针对性的设计是本文辩内容之一； ( 2 ) 执行器的控制信号必须正确才能保证接制的精确，这簸要求位置殿镞信息必须 及嚣于和正确，翔何对位爱传感器进行逡撵帮如何对位麓反馈信息避行处理及传 输成为本文内容之一。 ( 3 ) 位置伺服系统位置控制的精确性是建立在通信数据的正确性和及时性基础之 上| 毒，位羹镧撩系统王弦状态壹接影噙手术掇器人鬈统运牙豹哥露淫窃稳定 性，以往此类产品设计巾仪仅关注米端必坚持器的位凝精度测量，丽末端精度 戆由于各个关节的运行误麓造成豹，囡此作者自主开发了检测各个哭节运动参 爨的检测软传以判断来端谈差的症缀。 为能更好秘了解像置控露9 蔻如何在无椴絮立体定向警航手术系统中蜜现的，本文 将在下一章节介绍蠢框架立体定向手术机器人系统的构成。 6 患意琏丁走掌礤l ? 学位论史灸框粱直律定蠢手术鬟统一靛置饲溅蒙绞设诤 1 5 本章小结 搴章对謇内夕 医疗凝器人技零敬授无筵絮立落定瘫芋零系统发糕皴了蘧要豹毅 述，并介绍与其相关的关键技术，使我们对无框架立体定向手术系统发展状况有了初 步的了解，并针对其关键技术中手术机器人的位置伺服祭统设计作为本文研究的主要 内容。 7 南京理工大学硕上学位论文无框架立体定向手术系统一位置伺服系统设汁 2 无框架立体定向手术系统的系统构成 2 1 无框架立体定向手术系统构成 2 1 1 硬件构成 根据此项目研究和应用的特点，本谍题组设计的无框架立体定向手术机器人系统 硬件结构有剃于其它手术机器人，针对本项目的系统结构如图2 1 1 所示。它主耍有 计算枫，机器人，传感器，图形工作蛄，感拟现实设备，监视计舞枧等部分缀成“”“。 蝌2 1 i 脑外科机器人系统的硬件构成 为了减少手术机器臂谯运行过程中的跟踪误差以及静止时稳悫误差，本文围绕手 术规嚣人位受援月受控割器遂行了铮对性疆究设计。 基于上述目标，为了确定控制系统的结构，分析比较了单片机系统、p l c 系统、 上位梳麴运葫控潮嚣等控案方案。单片梳系统价格低瘵，毽处理速度较授、位数少， 难以实现复杂的控制算法，难以实现多轴联动，且网络通讯能力差；p l c 系统多轴联动 的处理能力较弱，难戳实现多轴的轨迹插补，高性能的p l c 系统价格昂贵，选型非常困 难。上述两萃申方案不能满足本系统的要求。上位极加多功2 运动控露l 器的二缀控铡策 略，其主要优点是，眭i 多功能运动控制器完成伺服运算、轨嬷插补、i o 控制等功能： 上位枫转瑟遴萼亍萁德夔处瑾，懿手术图像处理、手本路径褒麓、掇器夫运动羹三反解等 操作。两者之间采用r s 一2 3 2 * 行通信接口，处理速度快，能够实现复杂的算法。作者 最终采翔上位梳燕多功麓运动控镧器豹控翻结掏。控髑系统结构如图2 1 2 所示，在 本系统中，上佼机完成人机对话，对医学影像( 如c t 、m r i 图像) 进毒亍处理，将手术部位 耥病灶区域进行三维燕建，由医生使用手术规划软件进行术前规划，包括勾画瘸灶、 8 南京理| t 人学硕学位论义 光框架立体定向手术系统一位置伺服系统啦计 确定规划路径和穿刺靶点等操作，再由运动规划程序根据医生的手术规划给出机器人 运动轨迹规划及运动学方程的反解，通过多功能控制器控制驱动器，驱动电机，从而 实现机器人的运动。与此同时，上位机上载各电机的运动数据，进行分析和处理，对 运动轨迹进行记录和监控。在异地及远程手术中，上位机同时还承担网络通讯的任务。 本系统机器人有5 个自由度，属r r r r r 结构。机器人每个关节各自配备执行器和相应的 驱动器。除第五关节没有限位以外，其余关节都具有两个限位开关及一个零位开关。 输出模块和电机驱动器之间的控制信号线、驱动器和执行电动机之间的控制信号线和 码盘反馈信号线都是采用多芯屡蔽线襁连，以保诞控案4 售号和反馈信号不会受到干 扰。控翻系统体系结穗郊强2 。1 2 掰示： 2 1 2 软件构成 醛2 ，1 2 攮蟹捉燕控制系绞结褐 照羚秘瓤器天斡敬传系统主要l = l ! l 三个部分缀残：运动控制软磐、仿真软传以及谤 算机规划软件和导引软件。如图2 1 3 所示。从图中瓣出机器人运渤控制软件怒脑外 秘枧器人软传系统魄核心，它根据勰划系统的输壅，避行数羰融合处理生藏凝嚣人运 动控帝4 命令，控毒4 机器人豹运动。 遵逡诗辫梳与裰l 器人静运谣，我们将运动控镄命令分为黻下三稀： 运动终止命令：机器人终止当前运幼； 运麓禽令：机器入按攒定静运韵参数和运勘类鍪运动； 位娶谚裳念令：设定钒嚣人躲运动速度。电予藤乡 辩捉爨人手术懿竞戏是鞋医生 为主体的，手术进行中医生随时可能根据自己的判断和操作空间。 9 南京理t 大学硕j 一学位论文无框架立体定向手术系统一位置f 可服系统敬计 图象处 理及三 维重建 软件 辅助诊 断软件 导引软件 j i ! l 【划 软件 仿真 软件 遥控操作控制软件 传感器信窟 处理软件 机器人运动控 制软件 机器人运动 控制程序 安金检测 软件 v r 功能 软件 幽213 脑外科机器人系统的软件构成 本系统是用于脑外科手术的机器人辅助系统，因此，运动命令中的运动类型将是 以下两种：一是关节空间的点到点运动。在手术前机器人从它的起始位置运动到手术 要求的起始位置就是采用该运动类型：二是点到点直线运动模式，具体到手术过程的 动作，如脑部的穿刺，脑内的液体抽取等。 仿真软件的功能是根据规划系统的手术规划结果，在病人的三维重建模型上进行 虚拟手术过程的演示，使医生在完成手术规划后进一步确定手术方案的可行性和正确 性。 汁算机规划软件是体现多种计算机图形图像技术，用于三维体模型和表面模型的 - k 构、! 6 1 i 、手术路径规划以及漫游等功能的软件；导引软件则是支持机械臂进行手 术路径导航和手术操作的软件。这两个软件的作用主要是在手术前在图形计算机上对 手术进行规划和仿真，从而达到优化手术参数，提高临床治疗水平的目的。软件的接 口处要有和数字影像通用标准d i c o m 相兼容的程序接口。 2 2 本章小结 本章系统的介绍了无框架立体定向机器人的硬件及软件构成，从而指导本课题从 整体全观的角度进行位置控制系统的研究和设计。本章内容为合理设计本系统提供了 科学的依据，也是设计的先决条件。 鹰隶理工大学蜒十常位过空兹框梨立搏定赢手术系统位置俏糕蕞统鞋甜 3 芋寒撬器人往鳘执行器 3 i i 机器人执行器的分类 各手争不同场合应瘸的极器人所藤的执行嚣，辗摆它 f 不同的驱动不同方式可分鹱 液压驱动、气动驱动和电气驱动。三种驱动方式依据备自的不同特点各有其不同遥用 的场合，我们冈以根据表3 1 1 进行选择“。 袭3 1 】通用型机器人驱动方娥特点 驱秘方式 内容 硪压驱动气动驱动t 动雏砖 根犬压力范围为5 0 太，摊力范翻为4 8 0 0 n 7 c m 2 ， 输f j ；功率鞋凡 i 4 。k c 舒最大碓遮l ( i o n t c 毋 捌用被体韵幂哥噩鳙性，控耐 气体雁缩艟犬。精度假。阻尼 控谢鞲麇赢，萄宰较太，能特 糖醚艘蜥输出功率太，f 无撼确定垃艇成靛蛾+ 可宴聪掘进、 挫能性能效果麓，傣建不器拄铡，盛鞋宴 请遵反应蔗敏。可窭端连竣轨 现高谴、离精度的连续轨避控删 隋精度的璐续轨蛾挣制， i _ j j 服特 班控制 性好，控制系统复杂 嘲喇窭整罐离较高 疆蒜 缚搬运当执行枫树w 捶准倦、缩捣邂当，执褥机搀瓣洼地、 删胜l b 勘姚辩干标准亿。结构 聃糊性能段模拟化。品菇现直接鞭勒。功率模拟化，翁实现斑接驱动+ 功率 悻能好，嘞声祗，s b 动机一般需 体躲质曩逝火体投小，绺拇紧凑，厦置戡犬+ 体投枣，站槐紧凑， 配冒减速越鬻，陆i b 功帆外， 避鞋蛊接辍蘑，钴稿紧疆，兹密 密封鲻瑶较大密封隧鞣鞍审 封问踅 鞴堞蛙拖靛好，罔赦麟潍蚱传骑爆挫s 8 露，离于i e 蹬a ( i o 磴蔷鑫蝣无瓣赫= 翻夹囊趣艟， 矗十r l动介艟确：一定条件下肖火灾危个火气艨) 时血馥意世锦的抗压直流有删1 u 鳓帆换向时有北托， 瞳蛙 黯j f 壤韵辫耀性耱鞍差 对w 境拙蟛 液胨惹统易漏油，对环境有污染 排气时啊噪声光 j 噼 下韭机器 逮鞘干重载、慨速驱动，电澈 适彤于中小煎载驱动、精度蔓 适用中中小负载、要求且有较 l 丸中瘫掰齄镪腰系缝适薅于瞳溶瓠楼 、煮 謇较簸鹩霄彀点程序控制掌l 器 巍蜘位筵控制穗度最 轨迹拯秘辖 ，抑冲拦机器 木髂的气动、p 嵌、速度畿薜的瓤器a ，辩a c 翅 涮 捍帆器 和托运机_ l l l 般喷埭目i 嘏人、点焊机揣a 、弧 衡聂装懿机器 4 t 动央鬟 掉机器 、捷配机器a 等 琏盎液压面谗成本较赢 成本低戏车赢 方坦，钽 鸯渣孵耳境温震苒一裳 维修投馈搬l 方能 较量杂 要求 飘2 手术机器人执行嚣的选撵 根据项鞋设计的凭框架立体定向手术系统嚣求，从机被结撺设计| 壬j 整，要达g u 小 】l 商隶理1 ：大学顾+ ? 学鲢论文无镌禁轰体定向手术幕统一位置饲瑕系统设计 型化，结构紧凑，便于安装、维修和清洁消海的目标；从相关位置伺服控制性能出发， 要达到定位精度藏、稳定性好以及可靠挂麓戆嚣振我们逡择电蘑极作为关节处数驱动 元件，为此我们对电动祝斡选择送行了深入的研究。 3 2 1 机器人电渤机的分类 电渤机的种类各种各样，根掇各自的特点，工业赛早就在家电，玩具，办公仪器 设备，滋量鬃，藿黧瞧气铁路这榉一些，。泛熬领域内，翻窥了各种不同的饺翔方法。 表3 2 1 列出了作为电动机典型用途的机床和机器人，及麒在用途特征上的对比情 况。 袭3 2 ，l 壤嚣入羟剿魄壤熬特锺 机器人n c 机床 项目正交型水平多关节垂藏孚关节光枉主轴 ( 基线运魂) ( 旋转运蘸)( 旋转运动)( 鬟线运动) ( 旋转运蘑) 用途装配，零件昀搬运，零件的供威金属的机械加工 拄制对象位簧( 速度)位置 速度) 位鬣( 速度) 位置 位鬣和速度 变速菇精 l ：5 01 ：1 0 01 ：1 0 0i ：1 0 0 0 0 0 l 1 0 0 负载类型惯性负载惯性负载蠼性负载 惯性负载 最力支持麓办支持加工数载 卜拦 0 ，0 5 1 50 0 5 - - l ，o0 。2 7 。50 1 0 50 。4 5 0 位于生产线上的机器人，主簧承担着零件供应，装配和搬运等工作，蕻控制目的 楚位爱按制。为了进行位嚣控铡，遮度和力矩的控制也成为必要兹了。羧力捉器人憋 动作螫本上是腕部的运动，所以辩电动机来说，就成了惯性负载。当考虑电动机的变 速范国时，可以汲必，进行教学野寸，电动机的速度最幔，而焉负载运动时，电动机的 速度鼹快，它们的b 德大体上怒1 ：1 0 ，极端情况下可以达剐l ：1 0 0 。此外，从电动 梳静输滋来考虑，扶数卡瓦 谨 至数子瓦嫦j 戆电动梳藩多，显然有孵瞧会谈焉数卡 千瓦的电动机，但是在表3 2 1 中涉及的主要是小型电动机的分类。 嘏勰机有各种不同的种类，根据它们输出黛的形式分类，可以分为旋转型和蠢线 型，鳃聚遴一- 步秀搬掇它们采弱懿瞧源分豢，歪熟表3 2 2 梦l 爨款绩鬃。 南京理t 人学砸一：学位沦义无框架直体定向手术系统一位置伺j 】| i f 系统设计 表3 2 2 电动机分类 3 2 2 手术机器入电机的性能要求 矗：桃搽人控制f 睦撬中，要选择g 逑鼹在无框絮立体定彝导靛手术枧器人。首先提 出对手术撬器人电动梳蒸本往麓要求，才麓正确的迸行选释。结合医疗器械特点和本 课题设计舞求提出下列电动机选择要求： ( 1 ) 启动，停止平稳和正反向转动均能连续有效的进行，而且具有稳态误麓小和跟 茨淫磐鹣特缝； ( 2 ) 正转与反转时的特性相同，低速性能好且适行特性稳定； ( 3 ) 易于维修和清洁，而且不用保养； ( 4 ) 具衣良好兹拄环境于技能力，逐要体积小，熏量轻。 3 2 3 手术机器人电机的浚择 市场鬟形形色色黪恕动撬憝满足器耱不同震户熬不霹要裳，疹遴宅参爨粒轰滚趣 动辊是以往机器人中使糟最普遍的驱动元件。由于它们的发展时间比较长、价格便宜、 南京理工大学i l 宛卜学位论文 无框架立体定同手术系统一位置同雌系统设计 控制方便、精度指标和稳定性指标都能满足大部分伺服控制系统的要求，所以步进电 动机和直流电动机成为大多数设计人员首选执行器。但是考虑到其低速运行时存在脉 动和刁i 平衡的缺点会影响系统定位精度，因此本系统设计放弃了对它的选择。随着无 刷直流电动机问世，人们开始将目光都聚集到它，本系统中的要求它都能满足尤其是 高精度和低速性优于步进电动机。所以本课题将无刷直流电动机应用在无框架立体定 向手术位置伺服控制系统中。 永磁无刷直流电动机“6 “”1 ( p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd cm o t o r , 以下简称 p m b l d c m ) 是一种新型的交流调整电机，它上由永磁同步电动机加上电子控制装置， 控制电枢绕组换流，以实现直流电动机调速特性的一种机电一体化的新型调速电机。 它采用交流或直流电源驱动，具有高效节能、调速范围大、精度高、启动平稳、运动 可靠，且价格便宜，在交流伺服电机领域具有强大的生命力。同时它还具有交流电机 结构简单、转动惯量小、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电机调速性能好的 优点，而且由于不受机械换向器、电刷限制。 3 1 3 1 手术机器人电动机的结构特点 l 它由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。 2 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。 电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。在定转子形成的气隙中产生n s 极相间的方波磁 场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。为了使电动机绕组准确换向，在电动 机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。 ： 驱动器组成：作为控制中枢的单片机；作为电子换向的由i g b t 或m o s f e t 构成f 由逆变桥；作为电压型交一直一交主电路的整流、滤波单元；与上位机进行 通信的通信模块i 作为控制、驱动电源的开关电源。 3 2 3 2 手术机器人电动机的性能特点 1 高效率：电动机转子上既无铜耗又无铁耗，其效率比同容量异步电动机提高 5 一1 2 。 2 功率因子高：电动机无需从电网吸取激磁电流，功率因子接近1 。 3 启动转矩大，启动电流小：电动机的机械特性和调节特性与他激直流电动机 枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调速范围宽，( b n n n 电 刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械换向。 4 输出功率高：该电动机在体积和最高工作转速相同时，较异步电动机输出功 率提高3 0 。 南京理l 大学硕十学位论文无框架立体定向手术系统一位置伺服系统设计 5 适应性强：电源电压偏离额定值+ 1 0 或一1 5 ，环境温度相差4 0 1 以及负载转 矩从01 0 0 额定转矩波动时，电动机的实际转速与设定转速的稳态偏差，不大于设 定转速的1 。 6 此电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕 组；在负载突变时，不会产生振荡和失步。 7 具有直流电动机特性、交流异步电动机的结构。 8 适合长期低速运转、频繁启动的场合，这是变频调速器拖动y 系列电动机不 可能实现的。 3 3 手术机器人电动机的构成和工作原理 课越中遗撵三掇￥联接茏刷纛滚电动极“”，本文裁此耱无刷蓬流毫渤攫搀成积 工作原理作个简单的剖析。无刷直流电动机是幽电动机本体，功率主回路及转子磁钢 位置传感器等部分缝藏戆奄动辊系统，常把功率管主翻路霸位置传戆器合并在一起， 称为电子换向器，其主要功能是保证无刷直流电动机定子回路的准确换相，确保无刷 蠢流电动机在遥行过程中，定转予两磁场始终保持垂囊，以提高冀运行效率。无利直 流电动机的主网路结构形式有多秘，有三楣半控电路，三柏y 联接全控电路，三媚 联接全控电路等多种形式。与三相半控电路相比，无刷盥流电动机三相全控电路 魄较复杂，但奄魂瓿测曩李褰，转矩波蘸小，波形较平稳，在要求较寒懿装饕中，常 利用三相全控电路。如图3 3 1 所示。v 1 ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 5 ，v 6 为六只功率管，起绕组的 玎) 乏 ：糟。功率管的簿遥方式分灸两两譬通方式和三三导通方式两耱。囱予本课题采 川的烛”i 棚y 联接两两导邋方式全控电路，因此，下颟仅对三相y 联接两辑导通方式 全控 乱蹄的抉褶原理进行说明。 图3 3 1 永磁无刷直流方波电机系统 两两遗魄方式为每一瞬蔺有两个功率管静通，镣隔6 秽电角魔换褶一次，每次 南京璎1 “大学蕊圭学位论艾无捶裟立体定囊手末系统位置耩驻系缝设诤 换相一个功率管，缚一功率管导通1 2 0 0 电角鹰。各功率管导通顺序是v l v 2 、v 2 v 3 、 v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 。功率管v l 斧nv 2 导通时，电流从a 棚绕组流入，褥从c 相绕级 滚宙。蠹鞋设流入绕缱兹毫滚为芏e ，露滚凄绕缰懿逮滚为受，它赛熬合成转矩为 z ，。= 3 t o 。当电动机转过6 0 。电角度后，由v l v 2 通电换成v 2 v 3 通电，这时电流从 v 3 流入b 相绕组冉从c 相绕组流出，经v 2 回到电源，合成的转矩为，= 3 疋，其 方 趣转过了6 妒电舞凌。孬螽每次换穗一个功搴管，合残转麓矢量方囱鼓照羞转过8 萨 电角度，出了全部合成转矩的方向。 3 4 乎术机器人伺服电机的基本方程和动态数学模型 国手无尉盎流懑动辊输入豹定子电流为方波，转子采爝永磁榜辩，掰以经专 1 豹 磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子绕缀每相感应电勘势为梯形波。由于电流 不能突变，实际上只能是梯形波，而对于梯形波的电动势和电流可直接利用电动机原 畜稷燮萤寒建立静i a b c 坐标系豹数学模型戮是逡较方爱，又可获褥较准确懿绩繁 f m ir 蛐l 假定磁路不饱平玎，不计涡流和磁滞损耗，转子上没有i 飘艟绕组，由于稀土永磁材 料的磁导率低，转子的磁阻离，故假定永磁钵不起阻尼彳乍用，定子绕组豹邀压方程可 敷表示淹： 主 一 言吾曼 享1 + r 巨篆筝1 耋 + 圣 ，中假定三相绕组的电阻相等，均为r ，；p 为微分算子； 上、五“、上( 分别为定子三相绕组自感，上。8 、工m 是a 、 饨办然，且有三。= l 船，岛e = ，如= 点。 ( 3 1 ) 、e 。为备糟电动势 b 两相绕组之间的互感，其 对于凸极式转予结构，忽略魏极效应，萸l j 定子三襁绕缀的自感和互感筠为常数， 而于转子的位置无关，因此有 l _ = 岛= 岛= l ；( 3 2 ) 三 = l “五c = 厶_ = l e a = 如果定子绕组按y 连接，且没有中线，则肖+ + 岛= 0 ，可得 毛m b + w 毛= 己w 将3 4 式代入3 ，1 式，电压方程可变为 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 1 6 南京胖工人学硕1 学位论文无框架立体定向手术系统一位置伺张系统发计 mf 足o hi = 1 0 r s l 收jlo o 电机转矩为： ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中：。为电动机的极对数； m 为电动机角速度； 无刷直流电动机定子绕组电动势幅值