介入手术医疗机器人定位臂控制系统设计.docx
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介入手术医疗机器人定位臂控制系统设计
毕业设计
题目介入手术医疗机器人定位臂
控制系统设计
学院机械工程学院
专业机械工程及自动化
班级机自0703
学生顾巡巡
学号20070403055
指导教师赵洪华
二〇一一年月日
1前言
1.1医疗机器人研究的目的及意义
随着先进机器人技术的快速发展，医疗机器人技术随之也得到极大的发展。
医疗机器人的主要应用对象是以机器人操作手术刀或者其他医疗设备来完成机器人辅助外科手术，为患者提供整套或者部分外科手术的医疗过程。
随着高精度控制技术、数字图像处理技术等相关技术的发展以及微小创伤手术技术的出现，机器人辅助外科手术过程的可行性越来越变得现实可行[1]。
与传统的的外科手术相比，机器人辅助外科手术具有以下优点：
（1）避免了医生长期在射线环境下手术，从而保护了医生的身体健康；
（2）运动精度和定位精度高，刚性、稳定性好，解决了传统手术稳定性差，手工操作容易抖动等缺点；
（3）避免了传统手术间断性监控存在的潜在性风险；
（4）利用VR技术，开展培训，解决了操作技巧性强，培训时间长等缺点。
微创外科手术机器人与传统工业机器人相比较，前者在结构设计上具有更强的针对性。
通常情况下，每一种手术操作设计都有具体的机器人结构形式。
对于主从式医疗机器人,在手术中,医生的决策通过主手传递到从手,并通过监视从手的运动情况,来调整控制以达到预期的效果,最后实现微创手术。
从手系统直接作用于患者,所以它的性能高低会直接影响整个系统的性能、手术的质量以及系统的安全性[2]。
由于微小创伤手术的小切口路径致使医生的手工操作受到空间大小的极大限制，微创手术通过小直径的管道切口来进行治疗，使得原本非常灵活的手工操作变得不易操作。
由于受到手术切口的空间大小及形状的限制，医生的动作只能是上下、左右、进出、沿器械轴的旋转和末端执行器的张合等，从而限制了医生动作的协调性，而且由于长时间进行小空间的手术操作，使得医生很容易产生疲劳，由疲劳带来的手的颤动不可避免，因而会影响手术的质量。
另外，与传统手术相比较，医生采用微小创伤技术进行外科手术时，很难感受到肌肉组织的作用力，这样就很容易损伤患者肌肉组织。
这些因素不仅延长了手术的时间，而且还增加病人在手术过程中的危险性。
在小创伤切口中，医生很难看清楚病灶的实际位置，因此微小创伤手术的发展成为当务之急[3]。
医疗辅助机器人技术的出现，解决了这些在微创手术过程中遇到的问题。
目前，医疗机器人的实际应用主要集中在外科手术领域。
机器人做手术的精确性是外科大夫无法比拟的，一个神经外科大夫的误差精度一般能达到2毫米，而机器人的精度却可以很容易的达到微米级，在追求MIS的今天，其好处是显而易见的。
1.2医疗机器人国内外发展现状
目前,对医疗机器人的研究主要集中在外科领域,包括神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关节置换、整形外科、泌尿科和无损诊疗等[4]。
在国外，2006年，日本名古屋大学设计出血管介入手术机器人。
2006年，以色列海法医学院开发的心血管介入手术机器人进行实验。
2007年，英国汉森科技公司设计出主从血管介入手术机器人[5-6]。
在国内,医疗机器人的研究越来越受到各方面的重视,并且取得了一系列的成果。
北京航空航天大学机器人研究所开发了远程遥感操作医用机器人系统。
系统主要由影像获取传输、虚拟手术规划、智能机械臂、病人头部（病灶）固定装置等部分组成,可以完成三维病灶轮廓重建、定位器械引导、手术靶点确定、手术系统定向等多个复杂步骤。
这一手术改变了传统脑外科手术的固定模式,摘掉了做手术时病人头上起辅助定位作用的厚重的金属框架,定位也较传统手术精确。
该系统现已实现多例临床手术。
上海交通大学成功研制出的微型智能介入式诊断系统,主要用于人体消化道的无创检测,解决了插管式检测创伤大、检测部位不全、患者异常疼痛等弊端。
系统包括生物遥测胶囊、体外便携式记录仪、数据处理站等,可以实现压力、温度、电阻值的检测。
上海大学、重庆大学、中国科学院合肥智能机械研究所等也在进行类似的研究工作。
此外,国内的一些典型研究包括:
南开大学研究的机器人辅助显微外科手术系统；哈尔滨工业大学与北京航空航天大学合作研制的遥操作辅助正骨机器人系统；北京航空航天大学研制的角膜移植显微手术机器人；清华大学研制的神经康复机器人,以及其他一些大学和研究机构开发的无损诊疗和辅助外科手术机器人系统等。
1.3课题研究内容
本课题主要研究内容为血管介入手术机器人结构设计与系统构建，主要包括如下内容：
1.对机器人的功能进行分析，确定定位机械臂的自由度数目。
2.设计机械臂的控制系统，并对控制器及驱动器进行详细的设计或选型。
3.完成机构综合和结构优化，通过常规设计进行零部件的设计。
完成对电动机、传动方式的选择计算工作。
2血管介入手术机器人系统
目前，血管介入手术的微创伤治疗的医学研究已经取得了很多研究成果。
技术日趋成熟，在临床应用中也已经取得很好的效果，但是现有的手术方案仍存在许多不足之处。
针对传统手术存在的问题，将机器人辅助技术引入到血管介入外科手术中，能够增强介入手术操作规范，有效避免对医生的射线辐射，提高手术质量，因而，具有十分重要的现实意义[7]。
2.1血管介入手术的工作原理
现代外科手术不同于以往的“开放”手术，它朝着微创方向发展，以微小的创伤来实现治疗。
介入手术可分为血管介入手术和非血管介入手术。
血管介入手术是指医生在数字减影血管造影成像（DSA）系统的支持下，操控导管（一种带有刚性的软管）在人体血管内运动，并对病灶进行治疗，以达到溶解血栓、栓塞畸形血管、扩张狭窄血管等目的。
与传统血管手术相比，血管介入手术不需要开刀，而且具有创伤小、出血少、并发症少、安全可靠、手术后恢复快等优点[8]。
血管介入手术主要步骤如图2.1所示：
图2.1血管介入手术操作流程图
A、穿刺针以适合的位姿穿透皮肤进入血管内，同时将导丝插入针管；
B、将血管鞘顺着导丝并在其支撑下送入血管，并将导管顺着血管鞘导入血管，缓慢向前推进；
C、在数字减影血管造影成像（DSA）系统引导下，观察导管的路径及管尖的位置，并调整位置与方向直至导管到达病灶；
D、在数字减影血管造影成像（DSA）系统监控下，实施导管诊断及治疗操作，于室间隔缺损处放置室间隔缺损封堵器;
E、在数字减影血管造影成像（DSA）系统监控下，于动脉狭窄处放置支架;
F、在数字减影血管造影成像（DSA）系统监控下，行动脉瘤GDC栓塞。
2.2血管介入手术机器人系统框架
血管介入手术机器人系统按功能通常可以分为三个模块：
机器人执行、手术导航和虚拟手术培训。
如图2.2所示。
图2.2机器人辅助血管介入手术系统结构
机器人执行模块中主要包括两部分：
定位把持机械臂和末端推进机构。
手术导航模块主要包括DSA图像采集装置和视觉跟踪装置两部分。
虚拟手术培训模块包括力觉反馈装置和控制台两部分。
机器人辅助血管介入手术的一般流程如下：
首先图像导航模块利用DSA图像采集装置，重建术前血管的医学三维图像，并利用视觉跟踪装置实现术中二维图像与术前三维医学图像的匹配，实时自动检测血管介入导管的位置，完成三维导航定位。
然后，医生在控制台中制定治疗计划。
虚拟手术培训模块建立血管、导管的数学模型，并依据机器人的运动轨迹，进行碰撞检测和虚拟力触觉的计算，将虚拟力信号通过力觉反馈装置传递给操作者，同时显示手术的三维图像场景。
最后，机器人执行模块的定位机械臂操持导管推进机构，在图像导航模块的监控下，自动或者半自动完成导管到达病灶部位，完成手术操作。
本课题研究介入手术医疗机器人定位臂控制系统设计，提出满足要求的系统控制方案，对机器人的功能进行分析，确定定位机械臂的自由度数目。
设计机械臂的控制系统，并对控制器及驱动器进行详细的设计或选型。
完成机构综合和结构优化，通过常规设计进行零部件的设计。
完成对电动机、传动方式的选择计算工作。
2.3控制系统方案
机器人控制系统是机器人信息处理和控制的主体，将预定的控制方案、规划指令转变成为期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制。
其设计好坏将决定机器人系统的整体行为和性能。
针对介入手术医疗机器人定位臂控制系统设计课题，经查阅大量的参考文献，并通过对所查资料的学习，总结本课题的国内外研究现状，采用了包括5自由度的定位臂设计方案，其中采用PMAC+Bantam的分布式控制架构体系和硬件方案。
分布式控制：
一般采用上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等，下位机由多个CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU和上位机通过总线形式相联系。
这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高，是一种比较理想的机器人控制方式[9]。
根据血管介入手术过程中的技术需求、手术动作空间、手术安全性及操作可靠性，综合各种控制系统的优点，确定了PMAC（可编程多轴运动控制卡）+Bantam的分布式控制架构体系和硬件方案，如图2.3所示：
图2.3控制系统结构框图
该系统采用上、下位机分级控制方式和模块化结构设计，PMAC作为下位机实现对定位机械臂各个关节的位置伺服控制和运动协调控制，Bantam驱动器作为连接PMAC控制卡和电机的装置，受PMAC控制卡的控制来驱动电机的运动。
这样的控制系统架构从理论和技术上保证了机械臂具有稳定的作业性能和可靠的控制效果。
图2.4为控制方案电路图：
图2.4控制方案电路图
五个进行驱动器使能工作用继电器控制K1，制动器工作（3-5电机有制动器，通电释放电机、断电制动电机用继电器控制K2，K3）断开K3靠电位器R4进行降压以降低制动器的热量。
K4控制六路驱动器电源，K5为急停开关。
继电器、驱动器、制动器工作电压都是24V。
图2.5为bantam驱动器接口电路图：
图2.5驱动器接口电路
电路图的P2接口，接电机输入信号和驱动器供电电源，R2为+5或GND的切换，为使用无刷直流电机预留，但由于此处用的是有刷的，所以不采用。
R1一般都接低电平。
图2.6PMAC卡、驱动器、电机及光电编码器接线图：
图2.6PMAC卡、驱动器、电机及光电编码器接线图
世界主要自动化设备的生产厂商针对多轴控制系统快速发展的现状，都陆续推出了多轴运动控制器产品。
在国外，多轴运动控制器产品迅猛发展，而且应用已经非常广泛，但是在国内，这方面的技术发展却很缓慢，只有少数厂家开始应用外国进口的成熟的多轴运动控制器产品。
目前，市场上有很多公司在制造销售或代理销售进口的成熟的多轴运动控制器产品及其配套的控制器、电机、编码器和检测设备，如：
GEFanuc、德国MOvtee、深圳摩信、台湾Anrotek、北京泛华，还有三菱电机、OMRON、富士、东芝等机电公司也在开发制造同类产品。
相比之下，美国的PMAC、Ga1i1应用比较广泛。
因此本课题的控制卡选择PMAC作为控制机器人的相关动作。
PMAC与其它多轴运动控制器相比，具有良好的开放性，具体体现在：
（1）硬件结构的开放性
（2）软件结构的开放性
（1）硬件结构的开放性表现在：
1）与各种伺服系统的匹配
通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，可以与各种模拟或数字的交、直流有刷、直流无刷的伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动相连，构成数控系统的驱动部分。
2）与各种检测元件的匹配
PMAC可以和市面上各种流行的机床检测元件进行匹配，包括光电编码器、测速发电机、光栅、旋转变压器等。
3）与PC机的通讯方式
PMAC与上位PC机的通讯应用手段有三种，包括总线（bus）和串口（RS232或RS422），以及新推出的USB接口和光缆接口通讯形式。
4）与众不同的硬件平台的匹配
PMAC提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行。
（2）软件结构的开放性表现在：
1）人机界面的对外开放
PMAC提供了windows平台下的驱动程序，可以在高级编程语言如VC++，VB，Delphi等编程环境下调用这些动态链接库，实现windows环境下的人机界面。
2）数控功能的对外开放性
PMAC提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧插补、样条曲线插补、增量或绝对方式运行等，可在这些基本指令基础上定制用户自己的G代码、M代码数控功能。
3）控制系统定制的对外开放性
PMAC通过各种方式如I变量等来实现对整个控制系统的定制，使其方便的与实际被控对象匹配进行匹配[10-11]。
PMAC主卡及接口板如图2.7所示。
图2.7PMAC主卡与接口板
图2.8PMAC卡整体实物图
2.4实验平台的搭建
图2.9单轴控制系统实验平台简图
2.10单轴控制系统原理框图
（1）PMAC与主机的连接
选择以太网连接方式，利用网线将上位主机通过网口与PMAC连接。
（2）PMAC主接口
最基本的接口是JMACH1，包括四个通道的I/O：
增量编码器输入、相应的输入和输出捕捉信号、电源的连接、以及模拟输出，这四个通道将被1-4个电机使用，由配置决定。
另一个接口是JMACH2，PMAC只有在处理8轴的情况下才用它，因为它连接了一些可选的额外附件。
对于5-8个轴，它与JMACH1的功能基本相同。
（3）连接模拟电源
PMAC上的模拟输出电路与数字电路是光电隔离的，所以它需要一个独立的电源。
它被放在JMACH1接口上。
+12—+15V，-12—-15V及模拟电源的地应分别接直JMACH1相应电源接口位置。
（4）连接增量编码器
每个JMACH接口为编码器和其它设备提供两个+5V输出和两个逻辑地:
+5V输出在1，2针上，地接在3，4针上。
不同编码器使用的针的编号不同：
所有那些由1编号的针属于1号编码器。
编码器的编号并不一定要与电机的编号一致，但默认的要一致。
把编码器的A和B（正交）通道接在适当的接线盒的针上。
（5）连接驱动器
由于PMAC不能为电机进行换向，所以需要一个模拟输出通道来控制电机。
这个输出通道可以是单端的也可以是差动的，这由使用何种放大器来决定。
本机械臂的驱动器采用单端控制信号:
对于使用PMAC通道1的单端控制，把DAC1接在放大器的控制输入上，把PMAC的AGND线接在放大器的控制信号返回线上。
在这种设置下，让DAC1/悬空。
（6）限位连接（+LIMN和-LIMN）
PMAC为每个电机提供了两个输入作为行程开关控制。
在电机动作时它们必须为低电平，以允许电机移动（从光电隔离器的发光二级管上得电流）。
这就需要一个常闭的行程开关。
这些输入是有方向性的，而且只能停止一个方向的移动。
行程控制的方向的极性与一般情况的相反，正方向的行程开关应接在-LIMN输入上，负方向的行程开关应接在+LIMN输入上。
如果编码器输入的方向改变了，那么行程开关的接线也应一同改变。
因此需要对限位输入方向的方向性进行仔细反复检查，确保无误[13-14]。
安装限位开关时，把-LIMN输入与正行程方向的限位开关的正极接在一起；把+LIMN输入与负行程方向的限位开关的正极接在一起。
把限位开关的负极接在PMAC的AGND上。
若想使数字电路的标志与模拟电路相隔离，应把限位开关的负极接在地线上。
如果不使用限位开关，可把限位信号输入接在模拟地上，或通过软件关掉限位功能。
（7）放大器使能连接
大多数放大器有一个使能/禁能的输入来控制放大器。
PMAC的AENA线就是为此设置的。
若不使用一个符号和绝对值控制的放大器或V/F转换器，可以用该信号打开或关掉放大器（接在使能线上）。
DIR1是一个集电极开路输出，需要一个上拉电阻提高到15V。
（8）回零开关连接
回零开关接在该针上与模拟地之间，开关必须是常闭的。
2.5参数设计、PID参数整定、安全性设计
（1）控制系统安全性设计
设计任何一个好的系统或控制装置，安全性设计是至关重要的，以避免不必要的意外突发事故发生时，使损害降低到最小。
本系统采用的安全措施有：
1）越程极限
硬件：
光隔离的带上拉电阻专用硬件限位开关输入
软件：
保存在EPROM中的位置，越程时可以触发程序进行减速。
2）速度和加速度极限
当进行复合程序运动时，PMAC运动控制器将每个轴与用户定义的极限值相比较。
如果命令值超过了程序设定值，整个坐标系的运动将会减速，或者加速度值将被减小以保持在极限以内。
3）跟踪误差极限
致命极限：
如果实际位置对命令位置的滞后超出预设值，就按照程序关断出错电机和其它电机。
这种情况发生在位置反馈消失时或者电机发生故障的时刻。
警告极限：
给PMAC运动控制器和主机（或二者）发送一条消息，警告出现了一个非致命跟踪误差。
4）放大器使能/禁止，出错
每个放大器的单独连线使PMAC运动控制器在检查出错误情况时可以关断，还可以控制加电顺序。
借助于来自各放大器的专门故障输入，系统可以监控，并采取适当的步骤进行故障检查。
5）外部输入
异常终止：
这一输入信号线上的命令会立即终止预先选好的坐标系中的所有轴的运动。
保持：
使运动轴缓慢地在受控条件下，从而使在发出命令时刻所被跟踪的多路径轨迹得以保留。
（2）PID参数的整定
多轴运动控制器提供一个PID位置环伺服滤波器滤波器是通过设置每个电机的适当的I变量来调节的。
比例增益（“P”一Ix30）提供系统的刚性；微分增益（“D”一Ix31）提供稳定需要的阻尼；积分增益（“I’’一Ix33）消除稳态误差。
工x34决定积分增益是全程有效还是只在控制速度为0时有效。
另外，速度前馈增益（Ix32）减少由于阻尼（与速度成正比）引入的跟随误差，加速度前馈增益（Ix35）减少或消除由于系统惯性（与加速度成正比）带来的跟随误差。
（上面的“x”表示轴号，比如1、2、3、4等）[15]。
在上述的PID参数调整过程中会发现当系统运行在不同的速度下时，如果PID参数不变则系统表现的动态特性不同（跟随误差的大小不同），也即在每一不同速度下，系统都有其最佳的PID参数。
2.6本章小结
本章首先阐述了血管介入手术的工作原理，并以此提出了血管介入手术机器人的系统框架，针对介入手术医疗机器人定位臂控制系统设计课题，采用PMAC+Bantam的分布式控制架构体系和硬件方案，并详细介绍了实验平台的搭建，以及解决了参数设计、PID参数整定、安全性设计等问题。
3血管介入手术机器人结构设计
对于血管介入手术机器人，它的结构是由手臂和手腕两部分组成的。
手臂起到定位作用，手腕调整其自身姿态，即进行姿态的调整。
定位主要用于手术开始阶段，定向则贯穿整个手术过程。
这两项任务存在着很大的差别。
3.1机械臂结构设计要求
在机器人血管介入手术系统中，机械臂的任务是按照规定的姿态实现对末端推进机构的把持、定位。
通过对血管手术的分析及研究对机械臂的设计提出以下要求：
（1）对机器人的功能进行分析，不需要绕道管推进方向旋转运动，因此确定定位臂机械臂的自由度为五自由度；
（2）设计机械臂末端承重至少2kg；
（3）机械臂末端到地面可调高度：
100cm-150cm；
（4）工作范围：
300mm×300mm×300mm；
（5）末端定位精度1.5mm；
（6）关节最大角速度：
5°/s
3.2介入手术机械臂构型方案设计
在血管手术的机械臂中，主要由手臂和手腕两部分组成，其中手臂的作用是将手腕末端和手术器械送至规定的位置，而手腕的作用是通过自身姿态的调整是手术器械达到进行手术的方向。
这两部分在手术中的运动方式不尽相同，因此应避免两部分的相互依赖关系。
所以，定位机构和定向机构采用分离的方法独立运动。
3.2.1介入手术机械臂大臂方案设计
根据机器人介入血管手术的要求，大臂的作用是将手腕末端送到规划点，因此对手臂提出以下要求：
（1）实现较高的定位精度；
（2）在保证工作空间的前提下，机构尺寸尽量小；
（3）能够承受2kg的重量；
为了能够实现空间任意位置的变化，手臂应至少具备3个自由度，可由P（移动关节）和R（转动关节）组成。
通过多对各种结构简图的分析关节坐标型通过机构综合和结构优化可以实现手术环境的要求，并且能够实现末端2kg的负载支撑。
其结构简图如图3.1,图3.2所示：
图3.1定位臂结构简图图3.2定位臂结构变形图
在定位臂的机构中定位臂通过曲柄滑块机构将直线运动变为旋转运动。
为保证精确的尺寸链才能实现运动的连贯性。
第一关节为旋转运动。
第二关节为连杆滑块机构。
第三关节通过连杆机构带动平行四边形的运动。
三个关节的联动可以实现空间内的任意位置。
3.3关节驱动方式选择
目前常用的驱动器有电动驱动器、液压驱动器、气动驱动器等。
其中电动驱动器使用广泛、功率高并且速度和精度比较容易控制。
其中，电动驱动器可以分为直流电机、交流电机、伺服电机和步进电机。
直流电机驱动块电机特性好；交流电机结构简单、制造方便，但速度精度不高易产生振动；步进电机启动快，可以直接接受数字信号，但其噪音大不宜应用在医疗机械中。
综上各种电机的特点，决定使用电机驱动，并且根据医疗环境的特殊要求选用直流伺服电机。
3.4关节传动方式设计
根据介入血管手术医疗机器人的设计要求及医疗环境的特殊要求对传动机构提出以下要求：
（1）在保证传动功率和传动比的前提下做到结构紧凑；
（2）正反转过程中空行程尽量小，保证较高的位置精度；
大臂、小臂的关节承受的转矩很大，如果采用与腰转关节相同的传动结构所占用的空间较大，外观上不够美观，而且在失电情况下不能够保持原位。
采用涡轮蜗杆结构就解决了失电状态下的自锁问题，但是必须经过机构综合和结构优化。
另外，同腰转关节一样为保证伺服系统的控制结构和传动的安全性仍需要添加编码器。
传动结构为：
伺服电机一级减速器传动丝杠滑块连杆大臂旋转
伺服电机一级减速器传动丝杠滑块连杆小臂旋转
3.5电机容量的计算与选择
3.5.1大小臂关节电机选型
在大小臂的设计中，大小臂的旋转运动是靠丝杠的直线运动完成的。
关节的运动范围是+20°到-40°，那么由大小臂的结构可以算出丝杠的移动距离要达到150mm。
关节的旋转速度为5°/s时，丝杠的运动速度为12.5mm/s。
不考虑实际运动中峰值带来的增量问题，设计参数取5°/s。
设负载为80N，则最大转矩为80Nm，大臂的平均角速度w=0.087rad/s，则驱动功率为：
（3.1）
设传动系统的总效率为0.3，则实际驱动功率为：
（3.2）
当大臂位于最外倾的位置时，负载最大此时的受力分析如图3.7所示：
图3.7大臂受力分析图
螺母的轴向力为750N,设丝杠的增力比为5，丝杠中经为0.022m，由此可知力矩为：
（3.3）
由传动结构和以上计算结果可知，输出轴转矩要大于3.3Nm，功率大于29W。
因为大小臂结构相同。
因此选用与大臂相同的电机及配件即可。
由FAULHAB电机手册可知，2657CR型电机的额定功率为47.9W，额定转矩为44mNm,堵转转矩286mNm，26/1型减速器减速比为43：
1，连续输出转矩3.5Nm,瞬时转矩4.5Nm。
2657CR型电机与26/1型减速器，可满足功能要求。
3.5.2大小臂关节的设计
大小臂的结构图如图3.8所示：
图3.8大臂小臂关节结构图
1.大臂底座，2.大臂下铰销，3.长铰轴轴垫套，4.6008深沟球轴承5.6202深沟球轴承，6.小臂对边板，
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