基于CAN通讯的主从式手术机器人多机械臂控制系统硬件设计与实现

摘要

微创手术与传统手术相比具有切口较小，术后恢复较快，住院时间短的优点。但是微创手术面临医生操作困难等一系列的问题，微创手术机器人可以很好地克服微创手术存在的问题，使微创手术更安全、更精确，扩大了微创手术的手术范围。微创手术机器人的优点决定了为它在未来的一段时间都将是研究的热点。本文结合微创手术机器人的需求，较为系统地完成了微创手术机器人的控制系统，并对完成的控制系统进行了性能验证，实验结果表明该控制系统基本可以满足机器人的控制要求，运行可靠，初步达到了设计要求。本文的主要工作是:
　　(1)对微创手术机器人的机械结构进行了分析，详细地分析了微创手术机器人对控制系统的需求，包括输入输出接口需求，实时性、安全性等要求。在上述分析的基础上，设计了微创手术机器人的控制方案，提出了5个多轴运动控制器和1个中央控制器的控制方案，该控制方案采用并行控制的方式，具有很好的实时性。
　　(2)对多轴运动控制器进行了设计。对控制器的整体架构进行了说明，采用的是DSP+FPGA的控制核心单元，保证了控制器具有较高的运算速度和丰富的逻辑资源。对数/模转换、模/数转换、CAN通讯等功能模块进行了硬件电路的设计，并且在FPGA中使用Verilog HDL实现了底层逻辑驱动，并对各个模块的性能进行了测试。设计了数字和模拟接口电路，增强了控制系统的电平匹配性能和安全性能。至此，完成了运算速度快、逻辑资源丰富、电平匹配性能良好、通用性强的多轴运动控制器的设计。
　　(3)整体控制系统的搭建。设计了中央控制器，包括多种通讯模块和多GPIO实现。实现了逻辑切换电路，该电路能灵活地实现主从控制方式之间的切换，搭建了控制系统的硬件电路，实现了五个多轴运动控制器和一个中央控制器的控制系统，并对该系统的性能进行了测试。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 微创手术机器人发展状况

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

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的章节安排

第二章 微创手术机器人控制方案设计

第一节 微创手术机器人机构

2．1．1 主操作端

2．1．2 从操作端

第二节 主从异构模式

第三节 控制系统需求分析

2．3．1 输入输出信号分析

2．3．2 性能指标分析

第四节 控制方案设计

第三章 多轴运动控制器设计

第一节 多轴运动控制器的基本要求

第二节 多轴运动控制器的结构

3．2．1 结构介绍

3．2．2 DSP+FPGA介绍

3．2．3 FPGA模块的设计与实现

第三节 数字接口板和模拟接口板的实现

第四节 多轴运动控制器的电源管理

3．4．1 多轴运动控制器电源设计

3．4．2 多轴运动控制器电平匹配

第五节 多轴运动控制器资源

第六节 多轴运动控制器功能测试

3．6．1 DA性能测试

3．6．2 AD性能测试

3．6．3 双CAN口测试

第七节 总结

第四章 控制系统搭建和性能分析

第一节 中央控制器和逻辑切换板

4．1．1 中央控制器要求分析

4．1．2 逻辑切换电路板

第二节 系统硬件搭建

第三节 控制系统实现与性能分析

第四节 总结

第五章 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 在学期间发表的学术论文与研究成果