基于CAN网络的微创手术机器人控制系统设计与实现

摘要

微创手术与传统手术相比，能够有效地减少手术创伤，缩短治疗时间，降低手术风险，已经被国内外视为热门的研究领域。本文利用南开大学机器人与信息自动化研究所自主研发的多轴运动控制器，搭建基于CAN网络的微创手术机器人系统，分析了机器人控制系统中的主从手臂模型，设计并实现了机器人控制系统中各个控制子系统的软件框架和DSP系统的引导装载系统，通过数字式PID运动控制算法，实现了微创手术机器人系统中的主从控制。本文主要工作如下：
　　1.本文设计的微创手术机器人包括两个主手臂和四个从手臂，分别对主从手臂做了控制系统的需求分析，设计了相应的主从手臂。使用D-H方法分析建立了主从手臂的正运动学模型，使用代数方法分析建立了从手臂的逆运动学模型。
　　2.分析了 CAN总线的优点以及机器人控制系统的整体需求，针对控制系统的功能设计了两个CAN网络。一是以中央控制器为核心，主要是用来完成各个控制器之间的通讯功能；一是以逻辑切换控制器为中心，主要是用来完成对主从手臂的控制，利用逻辑切换控制器实现了不同工作模式下的主从控制策略。
　　3.分析了微创手术机器人整体设计方案，机器人控制系统中包含多个子系统，包括一个中央控制子系统、两个主手子系统和三个从手子系统，使用“主线程+中断线程”的双线程架构模式实现了不同子系统之间协调工作的软件框架。分析并实现了两种DSP系统的引导装载方法。
　　4.分析并确定了PID控制算法，采用工程法确定了PID控制算法中的各个参数。对微创手术机器人系统进行了实际测试，测量了机器人系统中各个功能模块的时间，确定了采样周期为2ms，并且对机器人控制系统的主从控制做了一系列测试。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

第一节 微创手术简介

第二节 微创手术机器人控制系统研究现状

第三节 本文的研究内容和章节安排

第二章 微创手术机器人手臂的建模与分析

第一节 微创手术机器人主手臂建模分析

第二节 微创手术机器人从手臂建模分析

第三章 CAN网络设计与实现

第一节 CAN节点设计

第二节 整体方案分析与设计

第三节 通讯网络的分析与设计

第四节 主从控制网络的分析与设计

第五节 总结

第四章 机器人控制系统软件设计

第一节 中央控制子系统软件分析与设计

第二节 主手臂控制子系统软件分析与设计

第三节 从手臂控制子系统软件分析与设计

第四节 DSP引导装载系统设计

第五章 微创手术机器人系统测试

第一节 控制算法的分析

第二节 控制系统的时间性能测试

第三节 控制系统的主从控制实验

第六章 总结与展望

第一节 已完成工作总结

第二节 后续工作展望

参考文献

致谢

个人简历