面向手術(shù)機(jī)器人的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、從整個(gè)醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)正在隨著運(yùn)動(dòng)控制、圖像處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展更新而突飛猛進(jìn)的發(fā)展。手術(shù)機(jī)器人正在不斷由研發(fā)投入到臨床應(yīng)用，其在協(xié)助醫(yī)生完成手術(shù)方面起到了提高手術(shù)效率、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的重要作用。另外，醫(yī)療機(jī)器人在服務(wù)救助和病愈護(hù)理等方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，越來(lái)越多的人專注于研究開(kāi)發(fā)精確性和靈活性更高的醫(yī)療機(jī)器人。而研究醫(yī)療機(jī)器人的控制系統(tǒng)及核心控制算法是改善機(jī)器人性能的重要方向。本文主要完成面向醫(yī)療

2、骨科機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
　　完成對(duì)手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和建模。建立手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型，求得其連桿參數(shù)表，通過(guò)這些參數(shù)計(jì)算得出連桿坐標(biāo)系的變換矩陣，從而可求得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解模型?？紤]到逆解可能存在多組解的情況，分析機(jī)器人工作空間和運(yùn)動(dòng)性能特點(diǎn)結(jié)合能量最優(yōu)原則選擇一組最優(yōu)逆解。
　　完成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)算法的研究和設(shè)計(jì)。結(jié)合手術(shù)機(jī)器人實(shí)際不同應(yīng)用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了精確到達(dá)示教

3、點(diǎn)和近似擬合示教點(diǎn)的軌跡規(guī)劃算法。精確到達(dá)路徑點(diǎn)采用直線或圓弧規(guī)劃單段運(yùn)動(dòng)軌跡使運(yùn)動(dòng)精度極高。為了提高系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的效率，采用近似擬合關(guān)鍵點(diǎn)的方法規(guī)劃路徑，分別提出適用機(jī)器人低速運(yùn)動(dòng)的圓弧過(guò)渡路徑規(guī)劃和適用于高速運(yùn)動(dòng)的樣條函數(shù)模型路徑規(guī)劃算法，以達(dá)到兼顧系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度、穩(wěn)定性和高效性的要求。
　　完成機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選擇接口豐富、功耗低且價(jià)格低廉的ARM9開(kāi)發(fā)板作為CANopen通信主站，選擇施耐德 LXM32A系列伺服控制系統(tǒng)作

4、為從站，結(jié)合Linux+ROS軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)完成了功能靈活、通用性強(qiáng)的多軸分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。軟件程序的設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)應(yīng)用程序和下位機(jī)控制程序兩部分。上位機(jī)完成與用戶界面的信息交互并發(fā)送數(shù)據(jù)指令信息至下位機(jī)。下位機(jī)程序主要是完成 CANopen通信設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)程序設(shè)計(jì)和控制程序三個(gè)部分的設(shè)計(jì)。
　　對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能靈活實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的單軸、多軸和點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。結(jié)合手術(shù)機(jī)器人功能要求，實(shí)現(xiàn)