脊柱微创手术机器人运动控制系统的设计.pdf

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1、582010，46(14)ComputerEngineeringandApplicatior聃计算机工程与应用◎研发、设计、测试◎脊柱微创手术机器人运动控制系统的设计宋银灏，安刚，张建勋，张娜，袁丰华SONGYin—hao，ANGang，ZHANGJian-xun，ZHANGNa，YUANFeng—hua南开大学信息技术科学学院，天津300071CollegeofInformationTechnologyScience，NankaiUniversity，Tianjin300071，ChinaE-mail：songyh@robot．nankai．edu．anSONGYin—hao，AN

2、Gang，ZHANGJian-xun。eta1．Designofmotioncontrolsystemofminimallyinvasivespinalsurgicalrobot．ComputerEngineeringandApplications。2010。46(14)：58-61．Abstract：AconceptualmedicalroboticsystemapplicableforestablishingsurgicalplatformintheprocessofMinimallyInvasiveSpineSurgery(MISS)isproposedinthispaper．

3、Thedesignandimplementationofthemotioncontrolsystemofa5degree--of-freedomnavigationrobotisdiscussedindetail．Aninnovativemicrosteppingmethodforsteppermotorcontrolisputforward．Sincethesta—torcurrentsaresinusoidalinsteadofsquare。theactuators’step-by-steposcillationsareeliminatedaswell．Bymeansofthis

4、sensingsubsystem，ithasachievedtheclose—loopcontroloftheend-effector．TheControllerAreaNetwork(CAN)isutilizedtocon—necttheDSPcontrollers．Thefinalexaminationtothecontrolsystemhastestifieditsexcellentreliabilityandstability．Keywords：MinimallyInvasiveSpineSurgery(MISS)；navigationrobot；DSPcontrollers

5、；microsteppingmethod；ControllerAreaNetwork(CAN)摘要：设计了一套医疗机器人系统用于辅助脊柱微创外科手术操作。详细论述了这款5自由度脊柱微创手术导航机器人运动控制系统的设计与实现。提出了具有创新性的步进电机细分驱动模式，将电机定子电流从方波形状转变成为了正弦波形状，消除了步进电机的步问振荡现象。利用传感机构实现了对机器人末端工具的位姿反馈，并以此构成了对机器人末端工具的闭环控制。通过CAN实现了数字信号处理器之间的网络互联。最后对该系统进行实验，结果验证了控制系统具有良好的可靠性和稳定性。关键词：脊柱微创手术；导航机器人；DSP处理器；电机

6、细分控制；控制器局域网DOI：10．3778／j．issn．1002—8331．2010．14．017文章编譬：1002～8331(2010)14—0058—04文献标识码：A中图分类号：TP242．61引言脊柱微创手术(MinimallyorLessInvasiveSpineSurgery，MISSorL1SS)是指经非传统手术途径并借助先进仪器和专用器械对脊柱疾患进行诊断和治疗的技术与方法。其主要目标是将医源性刨伤减小到最低程度，同时获得最佳的治疗效果”。它具有医源性创伤小、病症针对性强、术后恢复快、护理赞用低等优点。在国内，这项技术还远远无法得到普及，主要原因大致有两点：第一是

7、因为脊柱疾病的病灶点常与重要的组织器官(如神经组织和椎动脉血管)相邻，这就对手术提出了高精度、零误伤的要求；第二是由于我国大多数医院的经济实力不强，它们担负不起先进微创手术导航设备的昂贵费用。高精度的手术导航定位技术成为了制约脊柱微刨手术在我国推广的瓶颈㈣。该课题将研制一款具有自主知识产权的、与CT或MRI影像相结合的、可应用于经皮穿刺脊柱微创手术的导航机器人。它的宗旨在于为当前我国经皮穿刺脊柱微创手术技术的推广打开技术瓶颈，降低脊柱微创手术治疗方法的成本