基于CAN通讯的主从式手术机器人系统软件设计与实现

摘要

微创手术机器人能够有效地减少手术创伤，缩短恢复时间，降低手术风险，已经成为国内外热门的研究领域之一。本文利用自主研发的多轴运动控制器，搭建基于CAN通讯的多机械臂主从式手术机器人系统，实现不同主从手之间的控制切换功能，设计各个子系统控制软件。通过改进位置式数字PID控制算法，在主从跟随控制方面取得了较好效果，通过实现手术机器人的CAN通讯网络，在不同子系统之间的通讯方面取得了较好效果。本文内容主要包括以下工作:
　　1)本文设计的主从式手术机器人系统包含两个主手子系统、三个从手子系统、一个中央控制子系统。本文首先设计了手术机器人整体框架，实现不同主从手之间的控制切换功能，然后通过设计“main函数+中断函数”的双线程架构，实现六个子系统的软件框架，完成各个子系统所需的功能函数，最后多个控制子系统之间进行联调实验，测试子系统软件相关模块性能。
　　2)本文分析手术机器人系统中各个子系统之间的线程时序关系，设计不同子系统的不同线程之间运行顺序，保证系统程序安全稳定的运行，经过相关测试，给出各个线程运行时间的测量值和建议值。
　　3)实际手术机器人控制过程中，采用传统PID控制算法，长时间运行后系统控制效果不理想，动态响应变慢，系统不稳定，针对以上问题，首先对位置式数字PID算法进行两方面的改进，一方面通过“遇限削弱积分法”抑制积分饱和现象，另一方面通过“四点中心差分法”增强微分项抗干扰能力，然后通过凑试法整定数字PID参数，最后在主从跟随实验中进行相关测试，取得较好的控制效果，主从控制跟随延时小于5ms，跟随实时误差小于5mm。
　　4)本文首先设计CAN节点使用中断和轮询两种方法发送、接受数据的函数流程图，然后实现CAN节点之间单工通讯和半双工通讯功能，测得半双工通讯的CAN节点消耗时间小于300us，单工通讯的CAN节点消耗时间小于100us，最后构建手术机器人六个控制子系统之间的CAN通讯网络，通过压缩CAN数据包，变相地缩短传输时间，使得主从控制周期缩短到1ms以内。

目录

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摘要

第一章 绪论

第一节 微创手术机器人发展现状

第二节 运动控制系统发展现状

第三节 主要工作及章节安排

第二章 微创手术机器人控制系统方案设计

第一节 微创手术机器人系统结构介绍

第二节 微创手术机器人系统框架设计

第三节 控制系统软件分析与设计

2．3．1 控制系统软件需求分析

2．3．2 控制系统软件功能设计

第三章 微创手术机器人控制系统程序设计

第一节 主手控制子系统软件设计与实现

3．1．1 主手控制子系统需求分析

3．1．2 主手控制子系统软件设计

3．1．3 主手操作臂运动学模型分析计算

第二节 从手控制子系统软件设计与实现

3．2．1 从手控制子系统需求分析

3．2．2 从手控制子系统软件设计

第三节 中央控制子系统软件设计与实现

3．3．1 中央控制子系统需求分析

3．3．2 中央控制子系统软件设计

第四节 子系统间的线程时序设计

第五节 运动控制算法的设计分析

3．5．1 运动控制算法的选择

3．5．2 PID控制算法的改进

第六节 数字滤波器设计与实现

3．6．1 数字滤波器设计

3．6．2 数字滤波器仿真实验

3．6．3 数字滤波器算法实现

第七节 安全性设计与内存管理

3．7．1 安全监测模块

3．7．2 内存管理模块

第四章 CAN节点网络的设计与实现

第一节 CAN节点的设计

第二节 CAN数据包的发送与接收

第三节 CAN数据包的压缩与解压缩

第四节 CAN网络的设计与实现

第五章 微创手术机器人控制实验

第一节 微创手术机器人主从跟随控制实验

5．1．1 主从操作手的选取

5．1．2 主从跟随控制实验结果

第二节 微创手术机器人改进PID算法实验

5．2．1 主操作手的改进

5．2．2 主从跟随控制改进实验结果

5．2．3 从操作手的改进

5．2．4 程序模块运行时间

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