基于arm微控制器的医疗机器人主从控制系统研究与开发

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1、摘要嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用等突出特点。嵌入式系统应用于医疗机器人的控制，将推动医疗机器人系统向小型化、便携式、低功耗方向发展。本文在实验室自主研发的用于显微外科手术机器人的关节式主手与从手手指的基础上，构建了嵌入式Linux主从控制系统。系统主要包括两个部分：关节式主手与从手手指间的主从力反馈夹持控制系统和主手关节量数据采集系统。首先，基于AT91RM9200ARM微控制器设计了ARM控制板硬件电路，并在硬件电路基础上实现了Linux内核及文件系统的剪裁与移植。

2、其次，在ARM控制板外围进行模数转换模块与步进电机驱动模块的电路扩展。在扩展电路的基础上设计了Linux内核空间下的硬件驱动程序及用户空间下的控制程序，结合力反馈环节实现了主从力反馈夹持控制系统设计。再次，基于ARM控制板进行了FPGA外部接口电路扩展及内部逻辑电路设计，并实现了控制板与计算机的串行通讯接口电路。设计了Linux内核空间下的FPGA和串行通讯接口的硬件驱动程序以及用户空间下的控制程序，结合Windows系统下的串口通讯程序，实现了主手关节量数据采集系统设计。最后，运用模拟血管夹持实验对

3、主从力反馈夹持控制系统进行了实验验证，验证结果表明主从力反馈夹持控制系统设计的正确性。关键词：关节式主手从手手指嵌入式系统LinuxARM微控制器FPGA力反馈ABSTRACTEmbeddedsystemhasoutstandingcharacters，suchassmallvolume，strongfunction，lowpowerconsumption，highdependability,applicationfacingindustryandSOon．Itwilldrivemedicalrobo

4、tsystemtOdevelopinthedirectionofminiaturization，portabletype，lowpowerconsumption，etc．Thispaperrepresentsamaster-slavecontrolsystemusingembeddedLinux．Thissystemisbuiltonmedicalrobot’Sarticulatedmastermanipulatorandslavemanipulator’Sfingerusedformicrosurg

5、ery,whicharedesignedindependentlybyourlab．111issystemmainlycontainstwoparts：master-slavegraspingcontrolsystemwithforcefeedbackanddatacollectionsystemofmastermanipulator’sjoints．Firstly,thehardwarecircuitsofanARMcontrolboardaredesignedbasedontheAT91RM920

6、0ARMcontroller．ThetailoringandreplantingofLinuxkernelanditsfilesystemarerealizedbasedonthesecircuits．Secondly,theanalogtodigitalconversionmoduleandthesteppermotordrivingmoduleareextendedoutsidetheARMcontrolboard．nehardwaredriverprogramsinLinuxkernelspac

7、eandthecontrolprogramsinuserspacearedesignedbasedontheextendedcircuits．Combinedwiththetacheofforcefeedback,themaster-slavegraspingcontrolsystemwiⅡlforcefeedbackisrealized．Thirdly,theinterfacecircuitsoutsidetheFPGAchipandthelogicalcircuitsinsideitaredesi

8、gnedbasedontheARMcontrolboard．Andalso,theserialcommunicationalinterfacecircuitsbetweenthecontrolboardandthecomputerarerealized．ThehardwaredriverprogramsofFPGAandserialcommunicationalinterfaceinLinuxkernelspaceandthecontrolprogram