1、- I -毕 业 设 计题 目 肝肿瘤消融机器人控制系统设计 - 1 -1 前言1.1 课题研究的背景及意义从 20 世纪 90 年代以来，机器人在医疗领域的应用已经发生了天翻地覆的变化。随着机器人技术的发展，机器人将在医疗领域为人类做出重大的贡献。肝肿瘤消融机器人是机器人研究的一个热点，它是随着超声引导技术在治疗肿瘤方面的应用而在国内外迅速兴起的。随着它的发展，这种技术正成为一种非手术治疗肿瘤的有效手段。该技术往往通过与先进的影像技术相结合，在准确的对肿瘤部位进行定位的前提下，应用加热的方法直接作用于肿瘤组织，通过这种方法来达到使肿瘤细胞坏死的目的。为了对肿瘤进行准确的定位，现在，人们正在借
2、鉴其他导航系统并结合三维空间定位技术，准备对肿瘤位置进行更为精确的定位。这样在能够构建三维空间坐标的基础上，应用肝肿瘤消融机器人实现精确定位和辅助操作。肝肿瘤消融机器人治疗肿瘤具有很多的优点。它可以通过图像监控来实的确定计划选定的目标肿瘤，可以对肿瘤进行更为准确的定位，机器人可以在医生的控制下，自由的运动，运动精度高，治疗的整个过程可以控制。整个的治疗过程无创伤、不出血、不需麻醉、真正实现从体外治疗肿瘤的目的。这在很大程度上减轻了患者的痛苦机器人灵巧的结构和装置的精度，可实现精确的定位和保持稳定的手术图像，从而能进行精确地外科手术。先进的机器人控制技术和友好的人机接口技术可以提高外科手术医生手
3、术的精度和灵巧性，避免人手的震颤。机器人可连续工作，不会疲劳，不仅工作可靠，而且可减少劳动力成本 1。机器人装置的紧凑性和兼容性占用较少的手术台空间，可适用于多种的外科手术。可提供一个适合人类工程学的操作环境，使外科医生的疲劳程度降低到最小，从而提高手术的安全度。该机器人的研制成功可以有效对肝肿瘤患者的治疗发挥重大作用。因此从经济意义和社会效益方面来讲，这一项研究意义十分重大）1.2 肝肿瘤消融机器人国内外研究现状肝肿瘤机器人作为一种高端的医疗机器人，随着它在治疗领域的发展进步，它越来越受到世界各国机器人研究机构的重视。国内的机器人技术处于发展阶段，我国也加大了对机器人的研发力度，因此，医疗机
4、器人的的发展正处与一个黄金时期。在国内，北京航空航天大学机器人研究所与清华大学，解放军海军总医院合作，在国内率先开展了远程脑外科机器人辅助手术系统的研究，先后研制成功了应用于临床的机器人辅助脑外科立体定向手术系统 CRAS-BH1,CRAS-BH2,CRAS-BH3 和黎元 BH-600。该系统主要由影响获取传输，虚拟手术规划，智能机器臂，病人头部固定装置等部分组成，可以完成确定手术靶点，重建三维病灶轮廓，引导定位器械，定向手- 2 -术系统等多个复杂步骤，治疗脑部纵深病变无需开颅 2。这一手术突破了传统脑外科手术的定式，病人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，病人造成的创伤面比传统的手术小
5、的多，定位也比传统手术精确。北京理工大学等一些高校已经对此投入了巨大的财力物力，并且取得了一定的成果，也获得了众多具有自主知识产权的专利。 。进入七八十年代，德国、以色列等国家也相继开始机器人的研究工作。至今他们这些国家的机器人技术已经比较成熟了。上世纪 90 年代，国际先进机器人计划召开过多届医疗外科机器人研讨会。欧共体技术专家 Maurice 在 IEEE SPECTRNM 期刊中表示，欧共体正在制定一项新的计划，其中将机器人辅助外科手术及模拟医疗技术仿真作为重点研究发展计划之一。日本也制定国家计划开展高科技医疗器械研究发展 3。1.3 肝肿瘤机器人的发展趋势通过对国内外肝肿瘤消融机器人和
6、一些辅助治疗机器人的现状的分析，可以看出肝肿瘤医疗机器人今后的发展有以下几个方面的趋势：（1） 结构上，趋向微小型，占地面积越来越少。（2） 安全方面越来越高，采用大规模的功能更加强大集成电路，有可能通过减少自由度来提高系统的稳定性。（3） 在功能上，趋向于智能多元化。采用速度运算更快的控制器，机器人的操作越来越简单，更加利于医生的操作。（4） 高精度化。定位精度越来越高，与三维定位结合，这对于肝肿瘤的消除具有重大的意义。（5） 成本越来越低，应用越来越普遍，现在由于处于起步阶段，肝肿瘤消融机器人的应用较少，相信在不久的将来，肝肿瘤机器人可以在广大的医院普及，而不是仅应用在大医院里。1.4 本
7、文研究的内容和要解决的问题基于对国内外医疗机器人研究现状的分析，本文主要设计肝肿瘤消融机器人的控制系统以及一些外围电路的扩展设计。（1） 肝肿瘤消融机器人的主控机设计和选择。（2） 肝肿瘤消融机器人控制方案设计。（2） 肝肿瘤消融机器人控制驱动器的设计及选型。（3）肝肿瘤消融机器人控制驱动器外围硬件电路设计。（4）肝肿瘤消融机器人机械壁的部分设计。（5）肝肿瘤消融机器人驱动电机选择。- 3 -2 肝肿瘤消融机器人总体设计2.1 肝肿瘤消融机器人总体构成为实现肝肿瘤消融机器人的功能，同时能够完成工作任务，要实现肝肿瘤消融机器人的安全的可控型的移动工作，还需要一套辅助系统。图 2-2 肝肿瘤消融机
8、器人总体系统示意图- 4 -2.2 肝肿瘤消融机器人控制系统构成PC机ccan卡ACK1111ACKACKACKACK电动机电动机电动机电动机电动机图 2-1 肝肿瘤消融机器人控制系统构成图2.3 肝肿瘤消融机械部分介绍肝肿瘤消融机器人手臂的作用是为了能实现对肿瘤的定位，因此，它必须能够到达一定范围内的任意位置，因此肝肿瘤机器人必须至少具有三个自由度。机器人的手臂典型结构有：关节坐标型、极坐标型、圆柱坐标型、SARR 型、直角坐标型4。根据转动关节和移动关节的不同组合，根据手术对机器人结构设计的要求，可以从工作范围大，占据空间小，定位精度高，运动直观性强，运动对姿态影响小，这几个指标对典型机器
9、人手臂结构型式进行比较。 我们选择的是关节坐标型。 肝肿瘤消融术的医疗机器人要求手术工具能够在切点一定的条件下围绕球而旋转，因此将手腕设计为二个自由度，这样不但简化了手腕的结构，同时满足了手术的要求。根据以上的分析，共采用五个自由度 5。前三个自由度为机器人手臂，主要完成手术空间位置定位。后两个自由度为机器人手腕，可使手术工具实现工作空间的任意姿态。肝肿瘤机器人的机械臂必须结构紧凑，不能占据太大的空间。如果机械臂体积太大，不仅不利于控制，也不利于安放，因此本章首先提出了肝肿瘤消融机器人的设计方案；其次对机器人的总体结构进行简单介绍，由于本文主要研究肝肿瘤消融机器人的控制系统，因此对机器人的机械
10、部分设计只作简单介绍。- 5 -3 肝肿瘤消融机器人控制系统设计3.1 主控制系统的选择肝肿瘤机器人的控制归根到底实际上是对直流伺服电机的控制。一般选用的控制计算机可分为：可编程控制器，单片机以及 PC 机。1可编程控制器可编程控制器简称 PLC。它是将继电器技术逻辑控制技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统。它以顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术运算功能，它既能控制开关量，又能控制模拟量，它采用了存储器技术，将控制过程用简单的“用户语言”编成程序，并存入计算机 5。它的主要特点是控制程序可变，具有很好的柔性，可靠性高，编程简单，使用方便。它的主要缺点，
11、不能实现顺序的改变控制，不能实现复杂的运动形式的控制。2单片机 单片机是把计算机系统硬件的主要部分如 CPU、存储器、I/O 口、定时/计数器及中断控制器等都集中在一个芯片上的单芯片计算机 6。单片机的主要特点是可靠性高，易扩展，控制功能强。它的主要缺点是受集成度限制，片内存储容量较小，运算位数较小，运算功能和运算速度都有一定的限制.3PC 机总线型结构的 PC 机，根据功能要求把控制系统划分成具有一种或几种独立功能的硬件模块，从内总线入手把各功能模块设计成“标准”的印制电路板插件，每块插件之间的信息通过底板进行交换，从而达到控制系统的整体模块。由于总线型结构的控制计算机系统将一个较复杂的系统
12、分解成具有独立功能的模块，再把所需的功能模块插到底板上 7。因而 PC 机得控制具有如下优点：它可以提高设计效率，缩短设计和制造周期，大大提高了系统的可靠性，便于调试和维修，能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能。根据肝肿瘤机器人的工作对象和对于计算机的要求，选择 PC 机控制，PC 机不仅具有功能强大，可靠性强，还有方便的人机接口，利于医生的操作。当然，选择PC 机控制，成本相对较大。3.2 控制方案的选择控制方案一般分为两种,一种是分布式控制，一种是集中式控制。分布式控制是- 6 -一种高保密性的控制。它是一种支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，它有很多的优点。它属于现场总线的范围，
13、与其他的总线相比，它是一种分散式、数字化、双向多站点的通信系统，具有速度高、可靠性好、智能化高、连接方便等优点 8。因此，分布式控制方式被广泛应用于测试和工业生产中。分布式控制方式一般有四部分组成。主控制机一般是微机或者 PC 机，这是控制系统的大脑，负责整个控制系统的运行和管理。CAN 适配卡，它相当于联络站，负责完成主控机和 CAN 协议标准信号之间的转换。CAN 总线，相当于运输工具，负责完成数字信号 的传输 9。智能的节点，相当于副控机，它一方面接收主控机指令，完成对电机的控制，还要向微机随时报告电机的运行状态信息。集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的外部设备即可完成系统功能。也就
14、是说集中控制系统由一台计算机来完成系统的所有功能和控制系统中所有被控制的对象。由于是集中的方式现场状态集中在一台计算机中处理，中央计算机可以根据全面情况进行控制计算和判断，在控制方式的选择上可以进行统一的调度和安排。另外，集中式的控制库很容易管理，并容易保证数据的一致性。因此集中控制系统的优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好。经过分析，借鉴各种控制系统的优点，针对微波消融医疗机器人的任务要求，本课题采用上位 PC 机加下位控制驱动器相结合的方式，利用 CAN 卡进行上位机与控制器驱动的通讯。上位机完成人机对话，对超声图像进行处理，由医生使用手术规
15、划软件进行术前规划，包括勾画病灶、确定规划路径和手术点位置等操作，再由运动规划程序根据医生的手术规划给出机器人运动轨迹规划，通过控制系统控制驱动器，驱动电机，从而实现机器人的运动，同时，上位机上载各电机的运动数据，进行分析和处理，对运动轨迹进行记录和监控。3.3 CAN 卡方案选择CAN(Controller AreaNetwork)总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通信的局域网络。CAN总线有很多的优良的特性，比如它的性能高，可靠性高，实时性好，还可以对其进行独特的设计，已广泛应用控制系统中检测和执行机构之间的数据通信。Can总线的主要特点有 10:多主总线，各节点均可在任意时刻主动向网
16、络上的其它节点发送信息；采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，能满足实时性要求；具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；CAN总线上每帧有效字节数最多为8 个，并有CRC 及其它校验措施，数据出错率极低，万一某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它操作不受影响；通信距离远达10km(5kb/s),通信速率最高可达到1MB/s(40m),节点数目实际可达110个，通信介质采用双绞线，也可用光纤； CAN 总线只有两根导线，系统扩充时，直接将新节点挂接在总线上即可，系统易扩充，改型灵活。因此，CAN 总线成为分布式计算机控制系统的理想总线。CANopen 是
17、一种高性价比的分布式控制执行方案。在PVT- 7 -模式下，驱动器可以接收同步的位置/速度/时间信号点，实现插补运动。在轨迹模式下，驱动器可以执行一些基于预先参数设定的运动。同时CANopen也支持速度和力矩控制模式。本方案选用 CAN-PCI-02，CAN-PCI-02 是一款板载微处理器并具有两个完全隔离通道的 PCI 卡。CAN-IPM-01 I/O 处理模块能为 OEM 客户提供最佳的系统接口，并能集成到 CANopen 网络中。3.4 电机控制驱动控制器选择Accelnet有两个版本。驱动控制器ACK设计耐温范围更宽，防潮，抗震，抗冲击性能更强。主要用于COTS军工，航海，航空，以及
18、提炼及车辆系统等要求较高的场所。环境温度-40C 到 70C，温度冲击 -40C 到 70C 1 分钟内，相对湿度95% 非冷凝状态 在 60C震动5 Hz 到 500 Hz, 高达 3.85 grms，海拔 -400 m 到 5,000 m，冲击 40 g 峰值加速度驱动控制器选择ACK卡。控制模式: Indexer, 点到点, PVT,电子凸轮, 电子齿轮,位置, 速度, 力矩；命令接口：CANopen/DeviceNet，ASCII 和离散 I/O，步进脉冲命令，10V 位置/速度/力矩命令，PWM 速度/力矩命令，主编码器；通讯：CANopen/DeviceNet，RS-232反馈，数
19、字积分 A/B 编码器，旋转变压器 辅助编码器输入 / 编码器输出，模拟编码器 ADP, ACJ -S 选项，数字霍尔，I/O - 数字，8-12 输入, 2-4 输出。本方案选的 ACK 卡是 ACK-055-06MODEL IcIpVDCACK-055-06 3 6 55为额定电流， 为峰值电流Icp通讯方式：CANopen/DeviceNet、RS232电流环的刷新频率-14KHz(71.4us)位置环和速度换刷频率-2.8KHz(357us)3.5 驱动电机的选择有刷直流电机主要由静止部分磁极体、转动部分电枢以及电刷和换向器等组成，如图 1 所示。图中，N、S 为磁极体线圈 abed
20、组成电枢，电刷 A、B 和换向片组成机械换向机构。当接上电源，电流 I 从电刷 A 流进去，经过换向片 I、线圈 abed 至换向片，然后由电刷 B 流出。根据毕奥萨伐尔定律：如果磁场中有一载流导体，且导体与磁场方向相互垂直，则作用在载流导体上的电磁力应为 IB，其- 8 -中，I 为流过导体的电流；B 为磁通密度；a 为载流导体的有效长度。这个力形成了作用在线圈上的电磁转矩。根据左手定则，线圈在这个电磁转矩的作用下，将按逆时针方向转动。当载流导体转过 180电角度后，电流 I 还是从电刷 A 进去，经由换向片 I、线圈 dcbca，至换向片，最后仍从电刷 B 流出。可见，在有刷直流电机中，就
21、是借助电刷一换向片，使得在某一磁极下，虽然导体在不断更替，但只要外加电压的极性不变，则导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向始终不变，电机的旋转方向也始终不变，这就是有刷直流电机的机械换相过程。图 3-1无刷直流电动机采用电子换向装置，代替了传统的机械换向装置（换向器和电刷） ，不但保留了直流电动机良好的调速与启动特性，而且具有交流电动机结构简单和维修方便等优点，这种电动机性能良好，工作可靠，因此，近年来迅速发展。传统型直流电动机电枢是旋转的，磁极是静止的，但无刷直流电动机于此相反，磁极是旋转的，电枢是静止的，电枢绕组的电流换向可借助位置传感器和电子开关电路来完成。使电机无
22、刷。无刷直流电动机一般由电动机、位置传感器、和电子开关三部分组成。电动机本身由多相（三相、四相、五相不等）电枢绕组定子和一定极对数的永磁体转子组成。AA、BB、CC 表示电动机的三相定子绕组，NS 是永久磁铁，是电动机的转子，PS 是转子位置传感器，它的转子与电动机的转子同轴相连，BG1、BG2、BG3 是电子开关线路的功率开关管，三相绕组 A、B、C 分别于BG1、BG2、BG3 相串联后接到电源上。它的动作原理是，由 PS 发出信号控制- 9 -BG1、BG2、BG3 等开关管的导通与截止，当开关管导通时，相应的定子绕组中，就有电流通过并产生磁场，该磁场与永磁转子磁极相互作用便产生力矩，使
23、电动机转子旋转，由于位置传感器转子与电动机同轴相连，因此它的转子也跟着转动并依次地向 BG1、BG2、BG3 发出信号，控制其导通与截止，从而电枢绕组中的电流随着转子位置的变化依次序换向，使电枢磁场步进式旋转，电动机的转子就连续不断地旋转下去。本设计根据医疗机器人的需要，选用永磁无刷直流电动机。3.6 编码器的选择编码器是数控装置中常用的角度检测装置，常与伺服电动机或丝杠同轴安装，以检测伺服电动机或丝杠的转角 11。脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，
24、响应速度快。按编码器的不同读数方法，可分为绝对编码器和增量编码器两种。增量式编码器的优点是，结构简单，成本较低；缺点是，有可能由于噪声或其他外干扰产生计数错误。绝对编码器优点：坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置；其缺点是，当进给转数大于一转时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。考虑到医疗机械对机器人尺寸和检测的要求，本设计选用的是增量式编码器。增量式编码器不仅能满足要求，还能减少机器人的尺寸，结构简单，节省了成本。
