肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 20 -1 前言1.1課題研究的背景及意義從20世紀(jì)90年代以來(lái)，機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人將在醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀鲋卮蟮呢暙I(xiàn)。肝腫瘤消融機(jī)器人是機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)，它是隨著超聲引導(dǎo)技術(shù)在治療腫瘤方面的應(yīng)用而在國(guó)內(nèi)外迅速興起的。隨著它的發(fā)展，這種技術(shù)正成為一種非手術(shù)治療腫瘤的有效手段。該技術(shù)往往通過(guò)與先進(jìn)的影像技術(shù)相結(jié)合，在準(zhǔn)確的對(duì)腫瘤部位進(jìn)行定位的前提下，應(yīng)用加熱的方法直接作用于腫瘤組織，通過(guò)這種方法來(lái)達(dá)到使腫瘤細(xì)胞壞死的目的。為了對(duì)腫瘤進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，現(xiàn)在，人們正在借鑒其他導(dǎo)航系統(tǒng)并結(jié)合三維

2、空間定位技術(shù)，準(zhǔn)備對(duì)腫瘤位置進(jìn)行更為精確的定位。這樣在能夠構(gòu)建三維空間坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用肝腫瘤消融機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確定位和輔助操作。肝腫瘤消融機(jī)器人治療腫瘤具有很多的優(yōu)點(diǎn)。它可以通過(guò)圖像監(jiān)控來(lái)實(shí)的確定計(jì)劃選定的目標(biāo)腫瘤，可以對(duì)腫瘤進(jìn)行更為準(zhǔn)確的定位，機(jī)器人可以在醫(yī)生的控制下，自由的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度高，治療的整個(gè)過(guò)程可以控制。整個(gè)的治療過(guò)程無(wú)創(chuàng)傷、不出血、不需麻醉、真正實(shí)現(xiàn)從體外治療腫瘤的目的。這在很大程度上減輕了患者的痛苦機(jī)器人靈巧的結(jié)構(gòu)和裝置的精度，可實(shí)現(xiàn)精確的定位和保持穩(wěn)定的手術(shù)圖像，從而能進(jìn)行精確地外科手術(shù)。先進(jìn)的機(jī)器人控制技術(shù)和友好的人機(jī)接口技術(shù)可以提高外科手術(shù)醫(yī)生手術(shù)的精度和靈巧性，避免人

3、手的震顫。機(jī)器人可連續(xù)工作，不會(huì)疲勞，不僅工作可靠，而且可減少勞動(dòng)力成本1。機(jī)器人裝置的緊湊性和兼容性占用較少的手術(shù)臺(tái)空間，可適用于多種的外科手術(shù)?？商峁┮粋€(gè)適合人類工程學(xué)的操作環(huán)境，使外科醫(yī)生的疲勞程度降低到最小，從而提高手術(shù)的安全度。該機(jī)器人的研制成功可以有效對(duì)肝腫瘤患者的治療發(fā)揮重大作用。因此從經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益方面來(lái)講，這一項(xiàng)研究意義十分重大）1.2肝腫瘤消融機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀肝腫瘤機(jī)器人作為一種高端的醫(yī)療機(jī)器人，隨著它在治療領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，它越來(lái)越受到世界各國(guó)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)的重視。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)處于發(fā)展階段，我國(guó)也加大了對(duì)機(jī)器人的研發(fā)力度，因此，醫(yī)療機(jī)器人的的發(fā)展正處與一個(gè)黃金時(shí)

4、期。在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所與清華大學(xué)，解放軍海軍總醫(yī)院合作，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了遠(yuǎn)程腦外科機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的研究，先后研制成功了應(yīng)用于臨床的機(jī)器人輔助腦外科立體定向手術(shù)系統(tǒng)cras-bh1,cras-bh2,cras-bh3和黎元bh-600。該系統(tǒng)主要由影響獲取傳輸，虛擬手術(shù)規(guī)劃，智能機(jī)器臂，病人頭部固定裝置等部分組成，可以完成確定手術(shù)靶點(diǎn)，重建三維病灶輪廓，引導(dǎo)定位器械，定向手術(shù)系統(tǒng)等多個(gè)復(fù)雜步驟，治療腦部縱深病變無(wú)需開(kāi)顱2。這一手術(shù)突破了傳統(tǒng)腦外科手術(shù)的定式，病人頭上不必再戴厚重的金屬框架以輔助定位，病人造成的創(chuàng)傷面比傳統(tǒng)的手術(shù)小的多，定位也比傳統(tǒng)手術(shù)精確。北京理工大學(xué)等一些

5、高校已經(jīng)對(duì)此投入了巨大的財(cái)力物力，并且取得了一定的成果，也獲得了眾多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利。進(jìn)入七八十年代，德國(guó)、以色列等國(guó)家也相繼開(kāi)始機(jī)器人的研究工作。至今他們這些國(guó)家的機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)比較成熟了。上世紀(jì)90年代，國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃召開(kāi)過(guò)多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)。歐共體技術(shù)專家maurice在ieee spectrnm期刊中表示，歐共體正在制定一項(xiàng)新的計(jì)劃，其中將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及模擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃之一。日本也制定國(guó)家計(jì)劃開(kāi)展高科技醫(yī)療器械研究發(fā)展3。1.3肝腫瘤機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外肝腫瘤消融機(jī)器人和一些輔助治療機(jī)器人的現(xiàn)狀的分析，可以看出肝腫瘤醫(yī)療機(jī)器人今后的發(fā)展

6、有以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：（1） 結(jié)構(gòu)上，趨向微小型，占地面積越來(lái)越少。（2） 安全方面越來(lái)越高，采用大規(guī)模的功能更加強(qiáng)大集成電路，有可能通過(guò)減少自由度來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3） 在功能上，趨向于智能多元化。采用速度運(yùn)算更快的控制器，機(jī)器人的操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，更加利于醫(yī)生的操作。（4） 高精度化。定位精度越來(lái)越高，與三維定位結(jié)合，這對(duì)于肝腫瘤的消除具有重大的意義。（5） 成本越來(lái)越低，應(yīng)用越來(lái)越普遍，現(xiàn)在由于處于起步階段，肝腫瘤消融機(jī)器人的應(yīng)用較少，相信在不久的將來(lái)，肝腫瘤機(jī)器人可以在廣大的醫(yī)院普及，而不是僅應(yīng)用在大醫(yī)院里。1.4本文研究的內(nèi)容和要解決的問(wèn)題基于對(duì)國(guó)內(nèi)外醫(yī)療機(jī)器人研究現(xiàn)狀的分析，本文

7、主要設(shè)計(jì)肝腫瘤消融機(jī)器人的控制系統(tǒng)以及一些外圍電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。（1） 肝腫瘤消融機(jī)器人的主控機(jī)設(shè)計(jì)和選擇。（2） 肝腫瘤消融機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)。（2） 肝腫瘤消融機(jī)器人控制驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及選型。（3）肝腫瘤消融機(jī)器人控制驅(qū)動(dòng)器外圍硬件電路設(shè)計(jì)。（4）肝腫瘤消融機(jī)器人機(jī)械壁的部分設(shè)計(jì)。（5）肝腫瘤消融機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇。2肝腫瘤消融機(jī)器人總體設(shè)計(jì)2.1肝腫瘤消融機(jī)器人總體構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)肝腫瘤消融機(jī)器人的功能，同時(shí)能夠完成工作任務(wù)，要實(shí)現(xiàn)肝腫瘤消融機(jī)器人的安全的可控型的移動(dòng)工作，還需要一套輔助系統(tǒng)。 圖2-2 肝腫瘤消融機(jī)器人總體系統(tǒng)示意圖 2.2肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成pc機(jī)ccan卡ack111

8、1ackackackack電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)圖2-1 肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖2.3肝腫瘤消融機(jī)械部分介紹肝腫瘤消融機(jī)器人手臂的作用是為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的定位，因此，它必須能夠到達(dá)一定范圍內(nèi)的任意位置，因此肝腫瘤機(jī)器人必須至少具有三個(gè)自由度。機(jī)器人的手臂典型結(jié)構(gòu)有：關(guān)節(jié)坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、sarr型、直角坐標(biāo)型4。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)的不同組合，根據(jù)手術(shù)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，可以從工作范圍大，占據(jù)空間小，定位精度高，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)對(duì)姿態(tài)影響小，這幾個(gè)指標(biāo)對(duì)典型機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行比較。 我們選擇的是關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。 肝腫瘤消融術(shù)的醫(yī)療機(jī)器人要求手術(shù)工具能夠在切點(diǎn)

9、一定的條件下圍繞球而旋轉(zhuǎn)，因此將手腕設(shè)計(jì)為二個(gè)自由度，這樣不但簡(jiǎn)化了手腕的結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足了手術(shù)的要求。根據(jù)以上的分析，共采用五個(gè)自由度5。前三個(gè)自由度為機(jī)器人手臂，主要完成手術(shù)空間位置定位。后兩個(gè)自由度為機(jī)器人手腕，可使手術(shù)工具實(shí)現(xiàn)工作空間的任意姿態(tài)。肝腫瘤機(jī)器人的機(jī)械臂必須結(jié)構(gòu)緊湊，不能占據(jù)太大的空間。如果機(jī)械臂體積太大，不僅不利于控制，也不利于安放，因此本章首先提出了肝腫瘤消融機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案；其次對(duì)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，由于本文主要研究肝腫瘤消融機(jī)器人的控制系統(tǒng)，因此對(duì)機(jī)器人的機(jī)械部分設(shè)計(jì)只作簡(jiǎn)單介紹。3肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1主控制系統(tǒng)的選擇肝腫瘤機(jī)器人的控制歸根到底

10、實(shí)際上是對(duì)直流伺服電機(jī)的控制。一般選用的控制計(jì)算機(jī)可分為：可編程控制器，單片機(jī)以及pc機(jī)。1可編程控制器可編程控制器簡(jiǎn)稱plc。它是將繼電器技術(shù)邏輯控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它以順序控制為主，能完成各種邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算功能，它既能控制開(kāi)關(guān)量，又能控制模擬量，它采用了存儲(chǔ)器技術(shù)，將控制過(guò)程用簡(jiǎn)單的“用戶語(yǔ)言”編成程序，并存入計(jì)算機(jī)5。它的主要特點(diǎn)是控制程序可變，具有很好的柔性，可靠性高，編程簡(jiǎn)單，使用方便。它的主要缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)順序的改變控制，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式的控制。2單片機(jī) 單片機(jī)是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的主要部分如cpu、存儲(chǔ)器、i/o

11、口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷控制器等都集中在一個(gè)芯片上的單芯片計(jì)算機(jī)6。單片機(jī)的主要特點(diǎn)是可靠性高，易擴(kuò)展，控制功能強(qiáng)。它的主要缺點(diǎn)是受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，運(yùn)算位數(shù)較小，運(yùn)算功能和運(yùn)算速度都有一定的限制.3pc機(jī)總線型結(jié)構(gòu)的pc機(jī)，根據(jù)功能要求把控制系統(tǒng)劃分成具有一種或幾種獨(dú)立功能的硬件模塊，從內(nèi)總線入手把各功能模塊設(shè)計(jì)成“標(biāo)準(zhǔn)”的印制電路板插件，每塊插件之間的信息通過(guò)底板進(jìn)行交換，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的整體模塊。由于總線型結(jié)構(gòu)的控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)分解成具有獨(dú)立功能的模塊，再把所需的功能模塊插到底板上7。因而pc機(jī)得控制具有如下優(yōu)點(diǎn)：它可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)和制造周期，大大提

12、高了系統(tǒng)的可靠性，便于調(diào)試和維修，能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要，迅速改進(jìn)系統(tǒng)的性能。根據(jù)肝腫瘤機(jī)器人的工作對(duì)象和對(duì)于計(jì)算機(jī)的要求，選擇pc機(jī)控制，pc機(jī)不僅具有功能強(qiáng)大，可靠性強(qiáng)，還有方便的人機(jī)接口，利于醫(yī)生的操作。當(dāng)然，選擇pc機(jī)控制，成本相對(duì)較大。3.2控制方案的選擇控制方案一般分為兩種,一種是分布式控制，一種是集中式控制。分布式控制是一種高保密性的控制。它是一種支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它有很多的優(yōu)點(diǎn)。它屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范圍，與其他的總線相比，它是一種分散式、數(shù)字化、雙向多站點(diǎn)的通信系統(tǒng)，具有速度高、可靠性好、智能化高、連接方便等優(yōu)點(diǎn)8。因此，分布式控制方式被廣泛應(yīng)用于測(cè)試和工業(yè)生產(chǎn)

13、中。分布式控制方式一般有四部分組成。主控制機(jī)一般是微機(jī)或者pc機(jī)，這是控制系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行和管理。can適配卡，它相當(dāng)于聯(lián)絡(luò)站，負(fù)責(zé)完成主控機(jī)和can協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。can總線，相當(dāng)于運(yùn)輸工具，負(fù)責(zé)完成數(shù)字信號(hào)的傳輸9。智能的節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于副控機(jī)，它一方面接收主控機(jī)指令，完成對(duì)電機(jī)的控制，還要向微機(jī)隨時(shí)報(bào)告電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。集中式控制系統(tǒng)只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)以及有關(guān)的外部設(shè)備即可完成系統(tǒng)功能。也就是說(shuō)集中控制系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)完成系統(tǒng)的所有功能和控制系統(tǒng)中所有被控制的對(duì)象。由于是集中的方式現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中處理，中央計(jì)算機(jī)可以根據(jù)全面情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷，在控制

14、方式的選擇上可以進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和安排。另外，集中式的控制庫(kù)很容易管理，并容易保證數(shù)據(jù)的一致性。因此集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好。經(jīng)過(guò)分析，借鑒各種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)微波消融醫(yī)療機(jī)器人的任務(wù)要求，本課題采用上位pc機(jī)加下位控制驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的方式，利用can卡進(jìn)行上位機(jī)與控制器驅(qū)動(dòng)的通訊。上位機(jī)完成人機(jī)對(duì)話，對(duì)超聲圖像進(jìn)行處理，由醫(yī)生使用手術(shù)規(guī)劃軟件進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，包括勾畫(huà)病灶、確定規(guī)劃路徑和手術(shù)點(diǎn)位置等操作，再由運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序根據(jù)醫(yī)生的手術(shù)規(guī)劃給出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，通過(guò)控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，

15、上位機(jī)上載各電機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄和監(jiān)控。3.3 can卡方案選擇can(controller areanetwork)總線是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信的局域網(wǎng)絡(luò)。can總線有很多的優(yōu)良的特性，比如它的性能高，可靠性高，實(shí)時(shí)性好，還可以對(duì)其進(jìn)行獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已廣泛應(yīng)用控制系統(tǒng)中檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。can總線的主要特點(diǎn)有10:多主總線，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實(shí)時(shí)性要求；具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；can總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8 個(gè)，

16、并有crc 及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，萬(wàn)一某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離總線，總線上的其它操作不受影響；通信距離遠(yuǎn)達(dá)10km(5kb/s),通信速率最高可達(dá)到1mb/s(40m),節(jié)點(diǎn)數(shù)目實(shí)際可達(dá)110個(gè)，通信介質(zhì)采用雙絞線，也可用光纖； can 總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，直接將新節(jié)點(diǎn)掛接在總線上即可，系統(tǒng)易擴(kuò)充，改型靈活。因此，can 總線成為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理想總線。canopen 是一種高性價(jià)比的分布式控制執(zhí)行方案。在pvt模式下，驅(qū)動(dòng)器可以接收同步的位置/速度/時(shí)間信號(hào)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。在軌跡模式下，驅(qū)動(dòng)器可以執(zhí)行一些基于預(yù)先參數(shù)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)canopen也支持速

17、度和力矩控制模式。本方案選用can-pci-02，can-pci-02 是一款板載微處理器并具有兩個(gè)完全隔離通道的 pci 卡。can-ipm-01 i/o 處理模塊能為oem客戶提供最佳的系統(tǒng)接口，并能集成到 canopen 網(wǎng)絡(luò)中。3.4電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)控制器選擇accelnet有兩個(gè)版本。驅(qū)動(dòng)控制器ack設(shè)計(jì)耐溫范圍更寬，防潮，抗震，抗沖擊性能更強(qiáng)。主要用于cots軍工，航海，航空，以及提煉及車(chē)輛系統(tǒng)等要求較高的場(chǎng)所。環(huán)境溫度-40c 到 70c，溫度沖擊 -40c 到 70c 1 分鐘內(nèi)，相對(duì)濕度95% 非冷凝狀態(tài)在 60c震動(dòng)5 hz 到 500 hz, 高達(dá) 3.85 grms，海拔

18、-400 m 到 5,000 m，沖擊 40 g 峰值加速度驅(qū)動(dòng)控制器選擇ack卡。控制模式: indexer, 點(diǎn)到點(diǎn), pvt,電子凸輪, 電子齒輪,位置, 速度, 力矩；命令接口：canopen/devicenet，ascii 和離散 i/o，步進(jìn)脈沖命令，10v 位置/速度/力矩命令，pwm 速度/力矩命令，主編碼器；通訊：canopen/devicenet，rs-232反饋，數(shù)字積分 a/b 編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器 輔助編碼器輸入 / 編碼器輸出，模擬編碼器 adp, acj -s 選項(xiàng)，數(shù)字霍爾，i/o - 數(shù)字，8-12 輸入, 2-4 輸出。本方案選的ack卡是ack-055-06

19、modelack-055-063655為額定電流，為峰值電流通訊方式：canopen/devicenet、rs232電流環(huán)的刷新頻率-14khz(71.4us)位置環(huán)和速度換刷頻率-2.8khz(357us)3.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇有刷直流電機(jī)主要由靜止部分磁極體、轉(zhuǎn)動(dòng)部分電樞以及電刷和換向器等組成，如圖1所示。圖中，n、s為磁極體線圈abed組成電樞，電刷a、b和換向片組成機(jī)械換向機(jī)構(gòu)。當(dāng)接上電源，電流i從電刷a流進(jìn)去，經(jīng)過(guò)換向片i、線圈abed至換向片，然后由電刷b流出。根據(jù)畢奧薩伐爾定律：如果磁場(chǎng)中有一載流導(dǎo)體，且導(dǎo)體與磁場(chǎng)方向相互垂直，則作用在載流導(dǎo)體上的電磁力應(yīng)為 ib，其中，i為流過(guò)導(dǎo)

20、體的電流；b為磁通密度；a為載流導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度。這個(gè)力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，線圈在這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，將按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過(guò)180電角度后，電流i還是從電刷a進(jìn)去，經(jīng)由換向片i、線圈dcbca，至換向片，最后仍從電刷b流出?？梢?jiàn)，在有刷直流電機(jī)中，就是借助電刷一換向片，使得在某一磁極下，雖然導(dǎo)體在不斷更替，但只要外加電壓的極性不變，則導(dǎo)體中流過(guò)的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終不變，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也始終不變，這就是有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相過(guò)程。圖3-1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用電子換向裝置，代替了傳統(tǒng)的機(jī)械換向裝置（換向器和電刷），不但保留了直流電動(dòng)

21、機(jī)良好的調(diào)速與啟動(dòng)特性，而且具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，這種電動(dòng)機(jī)性能良好，工作可靠，因此，近年來(lái)迅速發(fā)展。傳統(tǒng)型直流電動(dòng)機(jī)電樞是旋轉(zhuǎn)的，磁極是靜止的，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)于此相反，磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是靜止的，電樞繞組的電流換向可借助位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路來(lái)完成。使電機(jī)無(wú)刷。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)一般由電動(dòng)機(jī)、位置傳感器、和電子開(kāi)關(guān)三部分組成。電動(dòng)機(jī)本身由多相（三相、四相、五相不等）電樞繞組定子和一定極對(duì)數(shù)的永磁體轉(zhuǎn)子組成。aa、bb、cc表示電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組，ns是永久磁鐵，是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，ps是轉(zhuǎn)子位置傳感器，它的轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸相連，bg1、bg2、bg3是電子開(kāi)關(guān)線路的功率

22、開(kāi)關(guān)管，三相繞組a、b、c分別于bg1、bg2、bg3相串聯(lián)后接到電源上。它的動(dòng)作原理是，由ps發(fā)出信號(hào)控制bg1、bg2、bg3等開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的定子繞組中，就有電流通過(guò)并產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子磁極相互作用便產(chǎn)生力矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由于位置傳感器轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)同軸相連，因此它的轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)并依次地向bg1、bg2、bg3發(fā)出信號(hào)，控制其導(dǎo)通與截止，從而電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化依次序換向，使電樞磁場(chǎng)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)下去。本設(shè)計(jì)根據(jù)醫(yī)療機(jī)器人的需要，選用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。3.6編碼器的選擇編碼器是數(shù)控裝置中常用的角度檢測(cè)裝置，

23、常與伺服電動(dòng)機(jī)或絲杠同軸安裝，以檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角11。脈沖編碼器是一種光學(xué)式位置檢測(cè)元件，編碼盤(pán)直接裝在轉(zhuǎn)軸上，以測(cè)出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號(hào)為電脈沖。這種檢測(cè)方式的特點(diǎn)是：檢測(cè)方式是非接觸式的，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力小，響應(yīng)速度快。按編碼器的不同讀數(shù)方法，可分為絕對(duì)編碼器和增量編碼器兩種。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；缺點(diǎn)是，有可能由于噪聲或其他外干擾產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。絕對(duì)編碼器優(yōu)點(diǎn)：坐標(biāo)值可從絕對(duì)編碼盤(pán)中直接讀出，不會(huì)有累積進(jìn)程中的誤計(jì)數(shù)；運(yùn)轉(zhuǎn)速度可以提高，編碼器本身具有機(jī)械式存儲(chǔ)功能，即便因停電或其他原因造成坐標(biāo)值清除，通電后，仍可找到原絕對(duì)坐標(biāo)位置；其缺點(diǎn)

24、是，當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，需作特別處理，如用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來(lái)，組成多級(jí)檢測(cè)裝置，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高?？紤]到醫(yī)療機(jī)械對(duì)機(jī)器人尺寸和檢測(cè)的要求，本設(shè)計(jì)選用的是增量式編碼器。增量式編碼器不僅能滿足要求，還能減少機(jī)器人的尺寸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了成本。3.7主控電路及介紹圖3-2圖3-31、 p6 i/o 輸入端口（ref、ref、singalgnd、singalgnd、in1、in2、in3、in4、in9、in10、）。2、 p7 i/o 輸出端口（out2、out1、out3）。3、 p5 通信接線端子（rs232&can，232r、232t、232gnd、canh、canl、c

25、angnd）。4、 p3無(wú)刷電機(jī)和帶422 線驅(qū)的編碼器散線接線端子（+5v output、signalgnd、a、a、b、b、x、x）。5、 p2電機(jī)三相繞組接線端子（散線，無(wú)刷電機(jī)接2、3 端子，u、v、w 對(duì)應(yīng)3、2、1 角）。6、p1電源線接線端子（散線，“1”對(duì)應(yīng)“powergnd”；“2”對(duì)應(yīng)“powerhv”，3對(duì)應(yīng)“auxvhv”）。注：所有接線端子的信號(hào)定義要按pcb 上的標(biāo)識(shí)接線； p5、p13 插座小心接反；其它類型插座基本具有防插反功能。p4、p15 插座的功能一定要分清，防止損壞編碼器。ack主控電路介紹：在這里，把a(bǔ)ck驅(qū)動(dòng)控制器分成了六部分，他們分別是i/o輸入端

26、、/輸出端、通信接線端子、編碼器接線端子、電機(jī)接線端子、電源接線端子。這六部分的功能在上面已經(jīng)介紹了，這里不在贅述。下面我就主控電路的工作形式做一下介紹。pc機(jī)與can卡相連，can卡通過(guò)p5通信接口與ack相連，電機(jī)通過(guò)p2接口與ack相連，編碼器通過(guò)p3與ack相連，ack通過(guò)p1與外圍電路相連，完成對(duì)ack的通電。這樣，當(dāng)所有的部件都連接好了以后，并通電以后，控制電路就可以工作了?？刂齐娐饭ぷ鲿r(shí)，pc機(jī)將命令傳到can卡，然后can卡通過(guò)5將命令傳給ack控制驅(qū)動(dòng)，然后ack根據(jù)收到的命令對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制或者驅(qū)動(dòng)，到達(dá)指定的位置。同時(shí)，增量編碼器隨時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，來(lái)確定機(jī)械手是否到達(dá)指

27、定的位置，當(dāng)機(jī)械手未到達(dá)指定位置時(shí)，ack繼續(xù)驅(qū)動(dòng)控制，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)到達(dá)指定位置時(shí)，ack便將一個(gè)中斷通過(guò)p5、can卡給pc機(jī)，pc機(jī)便根據(jù)情況，給ack下達(dá)另外的命令，可以要求電機(jī)停轉(zhuǎn)或者，直接給電機(jī)斷電。3.8 ack外圍電路圖3-4此外圍電路是為ack提供電源的電路，電路提供六孔24v的電源，每一個(gè)路電源都有一個(gè)指示燈，當(dāng)某一路電源接通時(shí)此路的指示燈便亮，當(dāng)某路指示燈不亮?xí)r，此路不提供電源，也就是不在工作狀態(tài)。此電路還與三個(gè)電路并聯(lián)，可以有效的防止交流電的干擾，保證24v的電源不受外界信號(hào)的干擾，從而保證了ack工作的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證了直流電機(jī)的工作穩(wěn)定性，從而保證了機(jī)器人的運(yùn)

28、動(dòng)準(zhǔn)確性和定位的準(zhǔn)確性。3.9霍爾檢測(cè)板電路圖圖3-5霍爾檢測(cè)電路，是用來(lái)調(diào)試電路用的，首先按照電路對(duì)霍爾零位限位裝置進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)燈的亮滅，對(duì)變化進(jìn)行分辨。它可以檢測(cè)電路是否符合設(shè)計(jì)要求，以及根據(jù)電路的具體表現(xiàn)來(lái)判斷電路的功能，為下一步完善電路做好準(zhǔn)備。還有是對(duì)電路之間的綜合性能進(jìn)行調(diào)試，可以判斷電路的綜合性能的好壞。4總 結(jié)機(jī)器人是當(dāng)今世界各國(guó)加大力度研究的前沿科學(xué)，它綜合了機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，在某種程度上體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力。肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一課題，主要針對(duì)當(dāng)前電子技術(shù)的最新成果，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行的深度改良研究。它的研制成功有助于為病人更好的

29、解除病痛，減輕醫(yī)生的工作量，促進(jìn)了醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展。本文簡(jiǎn)單介紹肝腫瘤機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，著重就肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)展開(kāi)了設(shè)計(jì)說(shuō)明，主要研究工作和結(jié)論如下：（1）調(diào)研國(guó)內(nèi)肝腫瘤消融機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)并分析了肝腫瘤消融機(jī)器人的分類與特點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了肝腫瘤消融機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)提出了主要控制思想，制定了控制策略。（2）對(duì)主控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，分析了幾種常用的機(jī)器人控制方式。根據(jù)本課題的需要，選用了pc機(jī)的通信方案。該方案可靠性高，符合醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。（3）對(duì)肝腫瘤機(jī)器人控制驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了研究并對(duì)外圍電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。選用ack作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，利用其智能化的控制驅(qū)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)

30、刷電機(jī)高效可靠的控制。該肝腫瘤消融機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究是在吸取了以前類似機(jī)器人的研究成果后采用當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)，并真正考慮該機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合而展開(kāi)的。它的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，輔助設(shè)備少，操作簡(jiǎn)單。肝腫瘤消融機(jī)器人控制工作狀況比較復(fù)雜，并且是應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中，在實(shí)際工作中可能面臨各種各樣的問(wèn)題，由于研究時(shí)間有限，今后還有很多的工作要做參 考 文 獻(xiàn)1 曹俊芳, 蔣力培, 鄧雙成等.醫(yī)學(xué)扶針機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.北京石油化工學(xué)院出版社,2009，17(2):32-35. 2 劉春城.微波消融外科機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃j.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007，19(3):43-45 3 杜欽君.超

31、聲導(dǎo)航微波消融手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究j.機(jī)器人，2008，21(4):13-15 4 李遠(yuǎn)楓.微波輔助消融醫(yī)療機(jī)器人關(guān)節(jié)電視控制技術(shù)j.制造業(yè)自動(dòng)化，2007，23(6):7-85 唐建, 蔣力培, 鄧雙成等.醫(yī)用機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及主動(dòng)式醫(yī)用扶持機(jī)器人系統(tǒng)j.制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30(1)：1-46 趙欣.應(yīng)用于智能機(jī)器人的多傳感系統(tǒng)研究j.機(jī)械與液壓，2009，37(12)：148-150 7 陳文凱, 莫亞武.三自由度并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及仿真j.機(jī)械傳動(dòng)，2009，33(1)：25-28. 8 劉少麗, 楊向東, 馮濤等.三維超聲影像導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)的臨床應(yīng)用j. 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),

32、2009，28(6):878-884. 9 單琳娜, 姜重然, 陳文平.基于dsp 仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器設(shè)計(jì)j.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，20：29-32.10 徐靜, 陳懇, 楊向東等.基于超聲影像導(dǎo)航的微波消融治療肝癌機(jī)器人系統(tǒng)j.機(jī)器人，2007，29(5)：456-462.11 董寶瑋, 梁萍, 于曉玲.超聲引導(dǎo)下經(jīng)皮915hz微波凝固治療肝癌的臨床應(yīng)用j.世界醫(yī)療機(jī)械,2006，12(4)：22-24.12 唐建, 蔣力培, 薛龍等.隨動(dòng)定位式醫(yī)用扶持機(jī)器人系統(tǒng)研制j.控制工程,2005，15：139-141.13關(guān)學(xué)鋒, 王偉, 胡明.基于運(yùn)動(dòng)控制卡的五自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)j.

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