摘要:随着机器人运动控制技术的快速发展,医疗机器人功能特性不断地进行完善并成功应用到临床实践中。医疗机器人具有的精确定位、力度控制和高分辨感测能力特性能够有效协助医生进行手术,提高了手术效率,降低了手术风险。运动控制系统设计是医疗机器人控制性能的核心,本文主要实现预弯电极植入机器人轨迹规划和控制系统设计,主要研究内容如下:(1)预弯电极植入机器人的运动学模型建立与分析。利用螺旋理论分析机器人的自由度,建立运动学数学模型,采用雅克比矩阵分析机器人的奇异特性,利用MATLAB与ADAMS联合仿真验证了运动学求解的正确性。设计一种基于蒙特卡洛快速搜索法分析机器人的可达运动空间,从而确定设计预弯电极植入机器人具体结构参数,为实现预弯电极植入机器人运动控制提供了理论基础。(2)笛卡尔空间轨迹规划和插补算法的研究。结合实际预弯电极植入手术中给定的运动轨迹不规则特性,利用具有G~2连续性的NURBS曲线拟合给定示教点,设计了精确到达示教点的轨迹规划算法。利用数据采样插补算法对求解的预弯电极植入轨迹进行实时插补运动,采用对称S型加减速规划算法进行速度约束控制。(3)预弯电极植入机器人运动控制系统的总体方案设计。在ARM主控制板上结合μC/OS-III实时系统设计了一种低成本、模块化、灵活控制的多轴运动控制系统,完成LwIP协议栈和文件系统FatFs移植工作,设计了通信驱动程序和插补算法应用程序。(4)预弯电极植入机器人轨迹规划实验。实验表明运动控制系统能够满足实时性的要求,各模块间的数据通信稳定,机器人能够精确到达给定示教点,运动轨迹在曲率较大处实现了平滑过渡,机器人运行速度与规划速度保持一致,各电动缸导杆运动轨迹连续平滑。