微创手术机器人运动控制器的设计与实现

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机器人应用于腹腔微创外科手术,可以提高手术质量,降低医生劳动强度,减少病人痛苦。本文密切结合医疗机器人的研究需求,在国家863计划项目“腹腔微创外科手术机器人系统研究”的资助下,较为系统的完成了微创外科手术机器人运动控制器NMC(Nankai Motion Controller)的系统设计和部分驱动程序设计和实现,并利用现有实验平台完成了控制器的设计验证,和性能评价,实验结果表明该控制器基本完成机器人的控制要求,运行可靠,初步达到设计要求。论文取得如下成果:   考察微创手术机器人的实际要求,在充分分析当前商业运动控制器优缺点的基础上,针对机器人本体主从操作手“异构”的特点设计了基于DSP+FPGA的嵌入式硬件系统平台。针对高速DSP处理器的软、硬件资源和FPGA的高速并行处理能力,合理分配功能模块的实现方式,完成系统需求,并留有一定的扩展空间。   本文通过对运动控制器NMC的逻辑电路设计完成了所必须的底层运动控制功能的实现。通过模块化设计,运用FPGA和CPLD共同完成电机控制模块和限位,抱闸等开关信号模块,并在实现系统联调中进行了改进。   本文完成了运动控制器NMC的部分驱动程序设计。本文设计了一套固件仿真调试方法,提高固件烧写的稳定性;结合软硬件资源开发了模数转换芯片的驱动;利用DSP高速信号处理能力完成了主手信号实时去抖算法;最后还研究了如何优化驱动程序,提高程序的运行速度,减小代码空间,并给出了优化结果。   本文还完成了机器人运动控制器NMC的系统实验。本文通过机器人的主从跟随运动来验证和评价NMC运动控制系统的性能,并利用现有的三维吊车实验平台,完成了空间三维曲线的跟踪,还设计并验证了基于CAN总线的主从控制器远传实验。  
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