腹腔镜微创外科手术机器人控制系统研究

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1、摘要腹腔镜微创手术机器人是医疗机器人的一个重要研究领域。微创外科手术机器人系统由于其特殊的机构设计，可极大地拓展医生的能力，克服手动微创手术的缺陷与运动限制，充分发挥微创手术的优势；用机器人技术结合医生的经验，不仅提高了手术质量和安全性，减轻了病人的痛苦，缩短了术后恢复时间，而且使微创手术技术应用于更精密的手术领域，扩展了微创技术的应用范围。本文以腹腔镜微创手术机器人控制系统为研究对象，针对机器人本体主从操作手“异构’’的特点以及腹腔镜微创手术要求，设计了基于DSP+FPGA的嵌入式硬件系统平台，在分析主从手

2、映射关系的基础上设计了主从映射算法，在腹腔镜微创手术机器人上实现了1000Hz的实时主从映射。本文工作主要包括以下研究内容：1)腹腔镜微创手术机器人运动学分析研究。针对主从“异构’’的腹腔镜微创手术机器人系统，建立了主操作手与从操作手的理论数学模型，并采用矢量法对其理论模型进行了运动学分析，推导出运动学公式，以此作为控制系统设计的重要参考依据。2)腹腔镜微创手术机器入主从映射算法研究。在分别对腹腔镜微创手术机器人主操作手与从操作手的运动学分析的基础上，建立了“异构"的主操作手与从操作手的对应关系，设计了速度控

3、制算法与关节速度限制模型，保证系统安全性。3)腹腔镜微创手术机器人控制系统设计与实现。针对腹腔镜微创手术要求和系统功能需求，设计并实现了基于DSP+FPGA的嵌入式实时硬件系统平台，根据系统功能设计了FPGA内部逻辑功能；针对高速DSP处理器的软、硬件资源，研究了控制系统软件结构，分析设计了控制器软件的主要流程。4)腹腔镜微创手术机器人系统实验研究。设计了机器人主．从操作手运动控制实验，对机器人控制器的控制功能进行了验证，对机器人系统的主从映射的操作模式作了验证。关键词：微创外科手术，腹腔镜机器人，主从操作，

4、嵌入式控制系统。AbstractLaparoscopicminimallyinvasivesurgeryrobotisoneofthemostsignificantapplicationsinmedicalrobot．Asitsspecialmechanismdesign，aminimallyinvasivesurgicalrobotCallgreatlyextendtheabilityofsurgeonstobreakthroughthelimitationsofmanualminimallyinvasiv

5、esurgeryandthentakeadvantagesofminimallyinvasivesurgery．Combiningrobottechnologyandexperienceofasurgeon,itcallnotonlyimprovethequalityandsecurityofasurgery,shortenthecuretimeandreducethepatients’cost，butalsoapplytheminimallyinvasivesurgerytechnologyintoprec

6、isionsurgeryareasandthenenlargetheapplicationareasoftheminimallyinvasivesurgery．Thethesisfocusesonthecontrolsystemofthelaparoscopicminimallyinvasivesurgeryrobot．Accordingtofeaturesoftheisomericmaster-slavemanipulatorsandthedemandofthelaparoscopicminimallyin

7、vasivesurgery,anembeddedsystembasedonDSP&FPGAisdesigned．Amaster-slavemappingalgorithmisdesignedaftermaster-slavemappingrelationshipanalyzed．Fininallythecontrolsystemrealizes1000Hzmaster-slavemappingfrequency．Themaincontentsofthisthesisare：1)Analysisonthekin

8、ematicsofthelaparoscopicminimallyinvasivesurgeryrobot．Itestablishesmathematicalmodelsoftheisomericmasterandslavemanipulatorsforthelaparoscopicminimallyinvasivesurgeryrobotsystem，andanalysesthemodelsusi