1、畢業(yè)設(shè)計題 目 肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)設(shè)計19 / 201 前言1.1課題研究的背景與意義從20世紀(jì)90年代以來，機器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人將在醫(yī)療領(lǐng)域為人類做出重大的貢獻。肝腫瘤消融機器人是機器人研究的一個熱點，它是隨著超聲引導(dǎo)技術(shù)在治療腫瘤方面的應(yīng)用而在國外迅速興起的。隨著它的發(fā)展，這種技術(shù)正成為一種非手術(shù)治療腫瘤的有效手段。該技術(shù)往往通過與先進的影像技術(shù)相結(jié)合，在準(zhǔn)確的對腫瘤部位進行定位的前提下，應(yīng)用加熱的方法直接作用于腫瘤組織，通過這種方法來達到使腫瘤細胞壞死的目的。為了對腫瘤進行準(zhǔn)確的定位，現(xiàn)在，人們正在借鑒其他導(dǎo)航系統(tǒng)并結(jié)合三維空

2、間定位技術(shù)，準(zhǔn)備對腫瘤位置進行更為精確的定位。這樣在能夠構(gòu)建三維空間坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用肝腫瘤消融機器人實現(xiàn)精確定位和輔助操作。肝腫瘤消融機器人治療腫瘤具有很多的優(yōu)點。它可以通過圖像監(jiān)控來實的確定計劃選定的目標(biāo)腫瘤，可以對腫瘤進行更為準(zhǔn)確的定位，機器人可以在醫(yī)生的控制下，自由的運動，運動精度高，治療的整個過程可以控制。整個的治療過程無創(chuàng)傷、不出血、不需麻醉、真正實現(xiàn)從體外治療腫瘤的目的。這在很大程度上減輕了患者的痛苦機器人靈巧的結(jié)構(gòu)和裝置的精度，可實現(xiàn)精確的定位和保持穩(wěn)定的手術(shù)圖像，從而能進行精確地外科手術(shù)。先進的機器人控制技術(shù)和友好的人機接口技術(shù)可以提高外科手術(shù)醫(yī)生手術(shù)的精度和靈巧性，避免人手

3、的震顫。機器人可連續(xù)工作，不會疲勞，不僅工作可靠，而且可減少勞動力成本1。機器人裝置的緊湊性和兼容性占用較少的手術(shù)臺空間，可適用于多種的外科手術(shù)。可提供一個適合人類工程學(xué)的操作環(huán)境，使外科醫(yī)生的疲勞程度降低到最小，從而提高手術(shù)的安全度。該機器人的研制成功可以有效對肝腫瘤患者的治療發(fā)揮重大作用。因此從經(jīng)濟意義和社會效益方面來講，這一項研究意義十分重大）1.2肝腫瘤消融機器人國外研究現(xiàn)狀肝腫瘤機器人作為一種高端的醫(yī)療機器人，隨著它在治療領(lǐng)域的發(fā)展進步，它越來越受到世界各國機器人研究機構(gòu)的重視。國的機器人技術(shù)處于發(fā)展階段，我國也加大了對機器人的研發(fā)力度，因此，醫(yī)療機器人的的發(fā)展正處與一個黃金時期。在

4、國，航空航天大學(xué)機器人研究所與清華大學(xué)，解放軍海軍總醫(yī)院合作，在國率先開展了遠程腦外科機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的研究，先后研制成功了應(yīng)用于臨床的機器人輔助腦外科立體定向手術(shù)系統(tǒng)CRAS-BH1,CRAS-BH2,CRAS-BH3和黎元BH-600。該系統(tǒng)主要由影響獲取傳輸，虛擬手術(shù)規(guī)劃，智能機器臂，病人頭部固定裝置等部分組成，可以完成確定手術(shù)靶點，重建三維病灶輪廓，引導(dǎo)定位器械，定向手術(shù)系統(tǒng)等多個復(fù)雜步驟，治療腦部縱深病變無需開顱2。這一手術(shù)突破了傳統(tǒng)腦外科手術(shù)的定式，病人頭上不必再戴厚重的金屬框架以輔助定位，病人造成的創(chuàng)傷面比傳統(tǒng)的手術(shù)小的多，定位也比傳統(tǒng)手術(shù)精確。理工大學(xué)等一些高校已經(jīng)對此投入了

5、巨大的財力物力，并且取得了一定的成果，也獲得了眾多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利。進入七八十年代，德國、以色列等國家也相繼開始機器人的研究工作。至今他們這些國家的機器人技術(shù)已經(jīng)比較成熟了。上世紀(jì)90年代，國際先進機器人計劃召開過多屆醫(yī)療外科機器人研討會。歐共體技術(shù)專家Maurice在IEEE SPECTRNM期刊中表示，歐共體正在制定一項新的計劃，其中將機器人輔助外科手術(shù)與模擬醫(yī)療技術(shù)仿真作為重點研究發(fā)展計劃之一。日本也制定國家計劃開展高科技醫(yī)療器械研究發(fā)展3。1.3肝腫瘤機器人的發(fā)展趨勢通過對國外肝腫瘤消融機器人和一些輔助治療機器人的現(xiàn)狀的分析，可以看出肝腫瘤醫(yī)療機器人今后的發(fā)展有以下幾個方面的趨勢

6、：（1） 結(jié)構(gòu)上，趨向微小型，占地面積越來越少。（2） 安全方面越來越高，采用大規(guī)模的功能更加強大集成電路，有可能通過減少自由度來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3） 在功能上，趨向于智能多元化。采用速度運算更快的控制器，機器人的操作越來越簡單，更加利于醫(yī)生的操作。（4） 高精度化。定位精度越來越高，與三維定位結(jié)合，這對于肝腫瘤的消除具有重大的意義。（5） 成本越來越低，應(yīng)用越來越普遍，現(xiàn)在由于處于起步階段，肝腫瘤消融機器人的應(yīng)用較少，相信在不久的將來，肝腫瘤機器人可以在廣大的醫(yī)院普與，而不是僅應(yīng)用在大醫(yī)院里。1.4本文研究的容和要解決的問題基于對國外醫(yī)療機器人研究現(xiàn)狀的分析，本文主要設(shè)計肝腫瘤消融機器人

7、的控制系統(tǒng)以與一些外圍電路的擴展設(shè)計。（1） 肝腫瘤消融機器人的主控機設(shè)計和選擇。（2） 肝腫瘤消融機器人控制方案設(shè)計。（2） 肝腫瘤消融機器人控制驅(qū)動器的設(shè)計與選型。（3）肝腫瘤消融機器人控制驅(qū)動器外圍硬件電路設(shè)計。（4）肝腫瘤消融機器人機械壁的部分設(shè)計。（5）肝腫瘤消融機器人驅(qū)動電機選擇。2肝腫瘤消融機器人總體設(shè)計2.1肝腫瘤消融機器人總體構(gòu)成為實現(xiàn)肝腫瘤消融機器人的功能，同時能夠完成工作任務(wù)，要實現(xiàn)肝腫瘤消融機器人的安全的可控型的移動工作，還需要一套輔助系統(tǒng)。圖2-2 肝腫瘤消融機器人總體系統(tǒng)示意圖2.2肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成PC機ccan卡ACK1111ACKACKACKACK電

8、動機電動機電動機電動機電動機圖2-1 肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖2.3肝腫瘤消融機械部分介紹肝腫瘤消融機器人手臂的作用是為了能實現(xiàn)對腫瘤的定位，因此，它必須能夠到達一定圍的任意位置，因此肝腫瘤機器人必須至少具有三個自由度。機器人的手臂典型結(jié)構(gòu)有：關(guān)節(jié)坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、SARR型、直角坐標(biāo)型4。根據(jù)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)的不同組合，根據(jù)手術(shù)對機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，可以從工作圍大，占據(jù)空間小，定位精度高，運動直觀性強，運動對姿態(tài)影響小，這幾個指標(biāo)對典型機器人手臂結(jié)構(gòu)型式進行比較。 我們選擇的是關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。 肝腫瘤消融術(shù)的醫(yī)療機器人要求手術(shù)工具能夠在切點一定的條件下圍繞球而旋轉(zhuǎn)，因此將手

9、腕設(shè)計為二個自由度，這樣不但簡化了手腕的結(jié)構(gòu)，同時滿足了手術(shù)的要求。根據(jù)以上的分析，共采用五個自由度5。前三個自由度為機器人手臂，主要完成手術(shù)空間位置定位。后兩個自由度為機器人手腕，可使手術(shù)工具實現(xiàn)工作空間的任意姿態(tài)。肝腫瘤機器人的機械臂必須結(jié)構(gòu)緊湊，不能占據(jù)太大的空間。如果機械臂體積太大，不僅不利于控制，也不利于安放，因此本章首先提出了肝腫瘤消融機器人的設(shè)計方案；其次對機器人的總體結(jié)構(gòu)進行簡單介紹，由于本文主要研究肝腫瘤消融機器人的控制系統(tǒng)，因此對機器人的機械部分設(shè)計只作簡單介紹。3肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)設(shè)計3.1主控制系統(tǒng)的選擇肝腫瘤機器人的控制歸根到底實際上是對直流伺服電機的控制。一般

10、選用的控制計算機可分為：可編程控制器，單片機以與PC機。1可編程控制器可編程控制器簡稱PLC。它是將繼電器技術(shù)邏輯控制技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種工業(yè)控制計算機系統(tǒng)。它以順序控制為主，能完成各種邏輯運算、定時、計數(shù)、記憶和算術(shù)運算功能，它既能控制開關(guān)量，又能控制模擬量，它采用了存儲器技術(shù)，將控制過程用簡單的“用戶語言”編成程序，并存入計算機5。它的主要特點是控制程序可變，具有很好的柔性，可靠性高，編程簡單，使用方便。它的主要缺點，不能實現(xiàn)順序的改變控制，不能實現(xiàn)復(fù)雜的運動形式的控制。2單片機 單片機是把計算機系統(tǒng)硬件的主要部分如CPU、存儲器、I/O口、定時/計數(shù)器與中斷控制器等都集

11、中在一個芯片上的單芯片計算機6。單片機的主要特點是可靠性高，易擴展，控制功能強。它的主要缺點是受集成度限制，片存儲容量較小，運算位數(shù)較小，運算功能和運算速度都有一定的限制.3PC機總線型結(jié)構(gòu)的PC機，根據(jù)功能要求把控制系統(tǒng)劃分成具有一種或幾種獨立功能的硬件模塊，從總線入手把各功能模塊設(shè)計成“標(biāo)準(zhǔn)”的印制電路板插件，每塊插件之間的信息通過底板進行交換，從而達到控制系統(tǒng)的整體模塊。由于總線型結(jié)構(gòu)的控制計算機系統(tǒng)將一個較復(fù)雜的系統(tǒng)分解成具有獨立功能的模塊，再把所需的功能模塊插到底板上7。因而PC機得控制具有如下優(yōu)點：它可以提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計和制造周期，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，便于調(diào)試和維修，能適

12、應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要，迅速改進系統(tǒng)的性能。根據(jù)肝腫瘤機器人的工作對象和對于計算機的要求，選擇PC機控制，PC機不僅具有功能強大，可靠性強，還有方便的人機接口，利于醫(yī)生的操作。當(dāng)然，選擇PC機控制，成本相對較大。3.2控制方案的選擇控制方案一般分為兩種,一種是分布式控制，一種是集中式控制。分布式控制是一種高性的控制。它是一種支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它有很多的優(yōu)點。它屬于現(xiàn)場總線的圍，與其他的總線相比，它是一種分散式、數(shù)字化、雙向多站點的通信系統(tǒng)，具有速度高、可靠性好、智能化高、連接方便等優(yōu)點8。因此，分布式控制方式被廣泛應(yīng)用于測試和工業(yè)生產(chǎn)中。分布式控制方式一般有四部分組成。主控制機

13、一般是微機或者PC機，這是控制系統(tǒng)的大腦，負責(zé)整個控制系統(tǒng)的運行和管理。CAN適配卡，它相當(dāng)于聯(lián)絡(luò)站，負責(zé)完成主控機和CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)信號之間的轉(zhuǎn)換。CAN總線，相當(dāng)于運輸工具，負責(zé)完成數(shù)字信號的傳輸9。智能的節(jié)點，相當(dāng)于副控機，它一方面接收主控機指令，完成對電機的控制，還要向微機隨時報告電機的運行狀態(tài)信息。集中式控制系統(tǒng)只需要一臺計算機以與有關(guān)的外部設(shè)備即可完成系統(tǒng)功能。也就是說集中控制系統(tǒng)由一臺計算機來完成系統(tǒng)的所有功能和控制系統(tǒng)中所有被控制的對象。由于是集中的方式現(xiàn)場狀態(tài)集中在一臺計算機中處理，中央計算機可以根據(jù)全面情況進行控制計算和判斷，在控制方式的選擇上可以進行統(tǒng)一的調(diào)度和安排。另外，

14、集中式的控制庫很容易管理，并容易保證數(shù)據(jù)的一致性。因此集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點是硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好。經(jīng)過分析，借鑒各種控制系統(tǒng)的優(yōu)點，針對微波消融醫(yī)療機器人的任務(wù)要求，本課題采用上位PC機加下位控制驅(qū)動器相結(jié)合的方式，利用CAN卡進行上位機與控制器驅(qū)動的通訊。上位機完成人機對話，對超聲圖像進行處理，由醫(yī)生使用手術(shù)規(guī)劃軟件進行術(shù)前規(guī)劃，包括勾畫病灶、確定規(guī)劃路徑和手術(shù)點位置等操作，再由運動規(guī)劃程序根據(jù)醫(yī)生的手術(shù)規(guī)劃給出機器人運動軌跡規(guī)劃，通過控制系統(tǒng)控制驅(qū)動器，驅(qū)動電機，從而實現(xiàn)機器人的運動，同時，上位機上載各電機的運動數(shù)據(jù)，進行分析和處理，

15、對運動軌跡進行記錄和監(jiān)控。3.3 CAN卡方案選擇CAN(Controller AreaNetwork)總線是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信的局域網(wǎng)絡(luò)。CAN總線有很多的優(yōu)良的特性，比如它的性能高，可靠性高，實時性好，還可以對其進行獨特的設(shè)計，已廣泛應(yīng)用控制系統(tǒng)中檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。Can總線的主要特點有10:多主總線，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息；采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實時性要求；具有點對點、一點對多點與全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8 個，并有CRC 與其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，

16、萬一某一節(jié)點出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其它操作不受影響；通信距離遠達10km(5kb/s),通信速率最高可達到1MB/s(40m),節(jié)點數(shù)目實際可達110個，通信介質(zhì)采用雙絞線，也可用光纖； CAN 總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴充時，直接將新節(jié)點掛接在總線上即可，系統(tǒng)易擴充，改型靈活。因此，CAN 總線成為分布式計算機控制系統(tǒng)的理想總線。CANopen 是一種高性價比的分布式控制執(zhí)行方案。在PVT模式下，驅(qū)動器可以接收同步的位置/速度/時間信號點，實現(xiàn)插補運動。在軌跡模式下，驅(qū)動器可以執(zhí)行一些基于預(yù)先參數(shù)設(shè)定的運動。同時CANopen也支持速度和力矩控制模式。本方案選用CAN-PCI-

17、02，CAN-PCI-02是一款板載微處理器并具有兩個完全隔離通道的PCI 卡。CAN-IPM-01 I/O 處理模塊能為OEM客戶提供最佳的系統(tǒng)接口，并能集成到CANopen 網(wǎng)絡(luò)中。3.4電機控制驅(qū)動控制器選擇Accelnet有兩個版本。驅(qū)動控制器ACK設(shè)計耐溫圍更寬，防潮，抗震，抗沖擊性能更強。主要用于COTS軍工，航海，航空，以與提煉與車輛系統(tǒng)等要求較高的場所。環(huán)境溫度-40ºC 到70ºC，溫度沖擊-40ºC 到70ºC 1 分鐘，相對濕度95% 非冷凝狀態(tài)在60ºC震動5 Hz 到500 Hz, 高達3.85 grms，海拔-400

18、 m到5,000 m，沖擊40 g峰值加速度驅(qū)動控制器選擇ACK卡。控制模式: Indexer, 點到點, PVT,電子凸輪, 電子齒輪,位置, 速度, 力矩；命令接口：CANopen/DeviceNet，ASCII 和離散I/O，步進脈沖命令，±10V 位置/速度/力矩命令，PWM 速度/力矩命令，主編碼器；通訊：CANopen/DeviceNet，RS-232反饋，數(shù)字積分A/B 編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器輔助編碼器輸入/ 編碼器輸出，模擬編碼器ADP, ACJ -S 選項，數(shù)字霍爾，I/O - 數(shù)字，8-12 輸入, 2-4 輸出。本方案選的ACK卡是ACK-055-06MODELAC

19、K-055-063655為額定電流，為峰值電流通訊方式：CANopen/DeviceNet、RS232電流環(huán)的刷新頻率-14KHz(71.4us)位置環(huán)和速度換刷頻率-2.8KHz(357us)3.5驅(qū)動電機的選擇有刷直流電機主要由靜止部分磁極體、轉(zhuǎn)動部分電樞以與電刷和換向器等組成，如圖1所示。圖中，N、S為磁極體線圈abed組成電樞，電刷A、B和換向片組成機械換向機構(gòu)。當(dāng)接上電源，電流I從電刷A流進去，經(jīng)過換向片I、線圈abed至換向片，然后由電刷B流出。根據(jù)畢奧·薩伐爾定律：如果磁場中有一載流導(dǎo)體，且導(dǎo)體與磁場方向相互垂直，則作用在載流導(dǎo)體上的電磁力應(yīng)為 IB，其中，I為流過導(dǎo)體

20、的電流；B為磁通密度；a為載流導(dǎo)體的有效長度。這個力形成了作用在線圈上的電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，線圈在這個電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，將按逆時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過180°電角度后，電流I還是從電刷A進去，經(jīng)由換向片I、線圈dcbca，至換向片，最后仍從電刷B流出。可見，在有刷直流電機中，就是借助電刷一換向片，使得在某一磁極下，雖然導(dǎo)體在不斷更替，但只要外加電壓的極性不變，則導(dǎo)體中流過的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終不變，電機的旋轉(zhuǎn)方向也始終不變，這就是有刷直流電機的機械換相過程。圖3-1無刷直流電動機采用電子換向裝置，代替了傳統(tǒng)的機械換向裝置（換向器和電刷），不但保留

21、了直流電動機良好的調(diào)速與啟動特性，而且具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單和維修方便等優(yōu)點，這種電動機性能良好，工作可靠，因此，近年來迅速發(fā)展。傳統(tǒng)型直流電動機電樞是旋轉(zhuǎn)的，磁極是靜止的，但無刷直流電動機于此相反，磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是靜止的，電樞繞組的電流換向可借助位置傳感器和電子開關(guān)電路來完成。使電機無刷。無刷直流電動機一般由電動機、位置傳感器、和電子開關(guān)三部分組成。電動機本身由多相（三相、四相、五相不等）電樞繞組定子和一定極對數(shù)的永磁體轉(zhuǎn)子組成。AA、BB、CC表示電動機的三相定子繞組，NS是永久磁鐵，是電動機的轉(zhuǎn)子，PS是轉(zhuǎn)子位置傳感器，它的轉(zhuǎn)子與電動機的轉(zhuǎn)子同軸相連，BG1、BG2、BG3是電子開關(guān)

22、線路的功率開關(guān)管，三相繞組A、B、C分別于BG1、BG2、BG3相串聯(lián)后接到電源上。它的動作原理是，由PS發(fā)出信號控制BG1、BG2、BG3等開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，相應(yīng)的定子繞組中，就有電流通過并產(chǎn)生磁場，該磁場與永磁轉(zhuǎn)子磁極相互作用便產(chǎn)生力矩，使電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由于位置傳感器轉(zhuǎn)子與電動機同軸相連，因此它的轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動并依次地向BG1、BG2、BG3發(fā)出信號，控制其導(dǎo)通與截止，從而電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化依次序換向，使電樞磁場步進式旋轉(zhuǎn)，電動機的轉(zhuǎn)子就連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)下去。本設(shè)計根據(jù)醫(yī)療機器人的需要，選用永磁無刷直流電動機。3.6編碼器的選擇編碼器是數(shù)控裝置中常用的角度

23、檢測裝置，常與伺服電動機或絲杠同軸安裝，以檢測伺服電動機或絲杠的轉(zhuǎn)角11。脈沖編碼器是一種光學(xué)式位置檢測元件，編碼盤直接裝在轉(zhuǎn)軸上，以測出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖。這種檢測方式的特點是：檢測方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動力小，響應(yīng)速度快。按編碼器的不同讀數(shù)方法，可分為絕對編碼器和增量編碼器兩種。增量式編碼器的優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低；缺點是，有可能由于噪聲或其他外干擾產(chǎn)生計數(shù)錯誤。絕對編碼器優(yōu)點：坐標(biāo)值可從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累積進程中的誤計數(shù)；運轉(zhuǎn)速度可以提高，編碼器本身具有機械式存儲功能，即便因停電或其他原因造成坐標(biāo)值清除，通電后，仍可找到原絕對坐標(biāo)位

24、置；其缺點是，當(dāng)進給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時，需作特別處理，如用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高?？紤]到醫(yī)療機械對機器人尺寸和檢測的要求，本設(shè)計選用的是增量式編碼器。增量式編碼器不僅能滿足要求，還能減少機器人的尺寸，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了成本。3.7主控電路與介紹圖3-2圖3-31、P6 I/O 輸入端口（Ref、Ref、SingalGND、SingalGND、IN1、IN2、IN3、IN4、IN9、IN10、）。2、P7 I/O 輸出端口（OUT2、OUT1、OUT3）。3、P5通信接線端子（RS232&CAN，232R、232T、232GND、CanH、C

25、anL、CanGND）。4、P3無刷電機和帶422 線驅(qū)的編碼器散線接線端子（+5V Output、SignalGND、A、A、B、B、X、X）。5、P2電機三相繞組接線端子（散線，無刷電機接2、3 端子，U、V、W 對應(yīng)3、2、1 角）。6、P1電源線接線端子（散線，“1”對應(yīng)“PowerGND”；“2”對應(yīng)“PowerHv”，3對應(yīng)“AuxvHv”）。注：所有接線端子的信號定義要按PCB 上的標(biāo)識接線； P5、P13 插座小心接反；其它類型插座基本具有防插反功能。P4、P15 插座的功能一定要分清，防止損壞編碼器。ACK主控電路介紹：在這里，把ACK驅(qū)動控制器分成了六部分，他們分別是I/O

26、輸入端、/輸出端、通信接線端子、編碼器接線端子、電機接線端子、電源接線端子。這六部分的功能在上面已經(jīng)介紹了，這里不在贅述。下面我就主控電路的工作形式做一下介紹。PC機與CAN卡相連，CAN卡通過P5通信接口與ACK相連，電機通過P2接口與ACK相連，編碼器通過P3與ACK相連，ACK通過P1與外圍電路相連，完成對ACK的通電。這樣，當(dāng)所有的部件都連接好了以后，并通電以后，控制電路就可以工作了?？刂齐娐饭ぷ鲿r，PC機將命令傳到CAN卡，然后CAN卡通過5將命令傳給ACK控制驅(qū)動，然后ACK根據(jù)收到的命令對電機進行控制或者驅(qū)動，到達指定的位置。同時，增量編碼器隨時監(jiān)測電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)，來確定機械手是否

27、到達指定的位置，當(dāng)機械手未到達指定位置時，ACK繼續(xù)驅(qū)動控制，電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動；當(dāng)電機到達指定位置時，ACK便將一個中斷通過P5、CAN卡給PC機，PC機便根據(jù)情況，給ACK下達另外的命令，可以要求電機停轉(zhuǎn)或者，直接給電機斷電。3.8 ACK外圍電路圖3-4此外圍電路是為ACK提供電源的電路，電路提供六孔24V的電源，每一個路電源都有一個指示燈，當(dāng)某一路電源接通時此路的指示燈便亮，當(dāng)某路指示燈不亮?xí)r，此路不提供電源，也就是不在工作狀態(tài)。此電路還與三個電路并聯(lián)，可以有效的防止交流電的干擾，保證24V的電源不受外界信號的干擾，從而保證了ACK工作的穩(wěn)定性，進而保證了直流電機的工作穩(wěn)定性，從而保證了機器

28、人的運動準(zhǔn)確性和定位的準(zhǔn)確性。3.9霍爾檢測板電路圖圖3-5霍爾檢測電路，是用來調(diào)試電路用的，首先按照電路對霍爾零位限位裝置進行檢測，然后根據(jù)燈的亮滅，對變化進行分辨。它可以檢測電路是否符合設(shè)計要求，以與根據(jù)電路的具體表現(xiàn)來判斷電路的功能，為下一步完善電路做好準(zhǔn)備。還有是對電路之間的綜合性能進行調(diào)試，可以判斷電路的綜合性能的好壞。4總 結(jié)機器人是當(dāng)今世界各國加大力度研究的前沿科學(xué)，它綜合了機械、電子、控制、計算機等多學(xué)科領(lǐng)域的知識，在某種程度上體現(xiàn)了一個國家的科技實力。肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)設(shè)計這一課題，主要針對當(dāng)前電子技術(shù)的最新成果，對其控制系統(tǒng)進行的深度改良研究。它的研制成功有助于為病人

29、更好的解除病痛，減輕醫(yī)生的工作量，促進了醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展。本文簡單介紹肝腫瘤機器人總體結(jié)構(gòu)，著重就肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)展開了設(shè)計說明，主要研究工作和結(jié)論如下：（1）調(diào)研國肝腫瘤消融機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)并分析了肝腫瘤消融機器人的分類與特點，簡單介紹了肝腫瘤消融機器人的總體結(jié)構(gòu)提出了主要控制思想，制定了控制策略。（2）對主控制系統(tǒng)進行了深入研究，分析了幾種常用的機器人控制方式。根據(jù)本課題的需要，選用了PC機的通信方案。該方案可靠性高，符合醫(yī)療機器人的設(shè)計要求。（3）對肝腫瘤機器人控制驅(qū)動方式進行了研究并對外圍電路進行了簡單的設(shè)計。選用ACK作為電機驅(qū)動控制器，利用其智能化的控制驅(qū)動功能，實現(xiàn)了

30、對無刷電機高效可靠的控制。該肝腫瘤消融機器人控制系統(tǒng)的研究是在吸取了以前類似機器人的研究成果后采用當(dāng)前的先進技術(shù)，并真正考慮該機器人的應(yīng)用場合而展開的。它的控制系統(tǒng)設(shè)計簡單、可靠，輔助設(shè)備少，操作簡單。肝腫瘤消融機器人控制工作狀況比較復(fù)雜，并且是應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中，在實際工作中可能面臨各種各樣的問題，由于研究時間有限，今后還有很多的工作要做參 考 文 獻1 俊芳, 力培, 鄧雙成等.醫(yī)學(xué)扶針機器人的系統(tǒng)設(shè)計J.石油化工學(xué)院,2009，17(2):32-35.2 春城.微波消融外科機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動規(guī)劃J.：理工大學(xué)，2007，19(3):43-45 3 杜欽君.超聲導(dǎo)航微波消融手術(shù)機器人的關(guān)

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