医疗机器人主操作手接口研究与开发

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1、摘要在丰从遥操作中利用力反馈技术是目前医疗机器人的研究热点之一，力反馈主操作手和力感觉从操作手是主从力反馈控制系统的重要组成部分。本文以课题组自行研制开发的关节式主手为核心，设计了主手与计算机的接口电路；并利用力感觉手指，构建了主从夹持力反馈控制系统。首先，设计了关节式主手与计算机的接口电路。在分析关节式主手机电接口的基础上，采用单片机和FPGA完成了主手与计算机接口电路的设计，使操作者能在计算机平台上获取主手的位姿信息，并能输出控制信号，控制主手直流电机的转矩，实现力反馈控制。单片机采用TI公司的

2、微控制芯片MSCl211Y5，内部集成了A／D和D／A模块，简化了系统的设计。使用可编程逻辑器件完成编码器信号处理模块的设计，使电路设计更加灵活。在硬件设计的基础上，围绕串口通信，编写并调试了单片机和计算机界面程序，阐述了利用MSComm控件进行串口通信的程序设计方法。最终实现关节式主手与计算机的交互。其次，利用自行研制的力感觉手指，构建了主从夹持力反馈控制系统。以单片机为核心完成了主从控制系统的研制，采用L297、L298N芯片设计了步进电机的驱动控制系统，提高了系统的集成度。编写了单片机丰从控制

3、程序，对步进电机的加、减速控制进行了研究，并根据实际工况编写了加、减速控制程序。最终完成了系统的软、硬件设计和调试。最后，对主从夹持力反馈系统进行了实验研究，分别对夹持过程中的主从角度、夹持力的对应关系进行了实验分析。关键词：主从式力反馈关节式主手光电编码器单片机FPGA串行通信MSComm控件ABSTRACTAdoptingforceteedbacktechniqueinmaster-slaveteleoperationisoneofthemostimportantresearchfieldinm

4、edicalrobot，hapticmastermanipulatorandtactileslavemanipulatorarenecessarypartsofmaster-slaveforcefeedbackcontrolsystem．Basedonjointtypemastermanipulator，theinterfacecircuitisdesignedforconnectingthemastermanipulatorwithpersonalcomputer；combiningwiththe

5、tactilefinger,themaster—slavecontrolsystem、析thforcefeedbackisconstructedforgrippingbloodvessel．Firstly，interfacecircuitisdesignedforjointtypemastermanipulator．Basedonthemechanicalandelectronicinterfaceofmastermanipulator,theinterfacecircuitofmastermani

6、pulatorisdesignedwithMCUandFPGA，Ontheonehand，theinformationofmastermanipulatorisreceivedbycomputer，ontheotherhand，thedirectmotoriscontrolledbythecomputer．TheMSCl2IImicrocontrollerintegratedwithAfDandD／AconvertorsofTIcorporationisusedtosimplifiedthesyst

7、emdesign．ThemoduleofphotoelectricencoderisdesignedwithPLD．Basedonhardwaredevise，theMCUandcomputer’Sinterfaceisprogrammed，MSCommcontrolisusedforserialcommunication，AsaresulLtheinteractivesystembetweenmastermanipulatorandcomputeriscompleted．Secondly,comb

8、iningwiththetactilefinger,themaster-slavegrippingsystemwithforcefeedbackiSconstructed．BasedonMCU．themaster．slaveeontrolsystemiSdevelopped，thesteppermotorinterfaceisdesignedwithL297andL298N．TheprogramofMCUisdesigned，theaccelerationanddec