面向手术机器人的多轴运动控制系统设计与研究

摘要

从整个医疗机器人发展趋势来看，医疗机器人技术正在随着运动控制、图像处理、计算机技术等技术的不断发展更新而突飞猛进的发展。手术机器人正在不断由研发投入到临床应用，其在协助医生完成手术方面起到了提高手术效率、降低手术风险的重要作用。另外，医疗机器人在服务救助和病愈护理等方面也发挥着至关重要的作用，越来越多的人专注于研究开发精确性和灵活性更高的医疗机器人。而研究医疗机器人的控制系统及核心控制算法是改善机器人性能的重要方向。本文主要完成面向医疗骨科机器人的控制系统设计，主要包括以下几个方面的内容。
　　完成对手术机器人的运动学分析和建模。建立手术机器人的结构模型，求得其连杆参数表，通过这些参数计算得出连杆坐标系的变换矩阵，从而可求得机器人的运动学正解和逆解模型。考虑到逆解可能存在多组解的情况，分析机器人工作空间和运动性能特点结合能量最优原则选择一组最优逆解。
　　完成了机器人运动学轨迹规划和插补算法的研究和设计。结合手术机器人实际不同应用的特点，设计了精确到达示教点和近似拟合示教点的轨迹规划算法。精确到达路径点采用直线或圆弧规划单段运动轨迹使运动精度极高。为了提高系统运动的效率，采用近似拟合关键点的方法规划路径，分别提出适用机器人低速运动的圆弧过渡路径规划和适用于高速运动的样条函数模型路径规划算法，以达到兼顾系统运动精度、稳定性和高效性的要求。
　　完成机器人控制系统的设计。选择接口丰富、功耗低且价格低廉的ARM9开发板作为CANopen通信主站，选择施耐德 LXM32A系列伺服控制系统作为从站，结合Linux+ROS软件平台的优势，设计完成了功能灵活、通用性强的多轴分布式运动控制系统。软件程序的设计主要分为上位机应用程序和下位机控制程序两部分。上位机完成与用户界面的信息交互并发送数据指令信息至下位机。下位机程序主要是完成 CANopen通信设计、运动学程序设计和控制程序三个部分的设计。
　　对控制系统进行实验与测试。实验结果表明本文设计的控制系统能灵活实现机器人的单轴、多轴和点位运动。结合手术机器人功能要求，实现了其在空间精确的位置姿态定位，并能按照预定轨迹完成钻骨操作功能。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

第2章 冗余自由度机器人运动学分析及建模

2.1 引言

2.2 手术机器人结构模型

2.3 手术机器人运动学模型

2.4工作空间

2.5 本章小结

第3章 轨迹规划与插补算法设计

3.1 引言

3.2 精确到达示教点路径规划算法

3.3 示教点过渡的路径规划算法

3.4 插补算法设计

3.5 本章小节

第4章 控制系统的设计

4.1 引言

4.2 分布式系统硬件设计

4.3 软件系统框架

4.4 ROS软件平台搭建

4.5 CANopen通信设计

4.6 控制程序设计

4.7 本章小节

第5章 实验及测试

5.1 通信测试

5.2 单轴运动测试

5.3 多轴联动测试

5.4 导航定位精度测试

5.5 钻钉道实验测试

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢