穿刺手术机器人系统的设计

作     者：杨记鑫 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施军

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：穿刺机器人 FPGA 模糊控制 AD采集 UART通信 

摘      要：医疗业关乎全人类的民生大计,是我国科学发展中必不可少的核心行业,在互联网和机械行业的发展下,医疗辅助机器人登上了舞台并逐渐受到人们的欢迎。穿刺手术机器人是在成像设备指导下,按照医生规划的路径,将小体积的手术穿刺针,送入病人的病变组织器官,取出所需的细胞样本,或者把药物送入需要治疗的部位,该手术对病人造成的伤口小而且恢复快,操作简便,经济实惠,具有很高的安全性,越来越受到医生和病人的欢迎。本文主要研究关于浅表器官的穿刺手术机器人系统,包括三个部分。机械部分对传统机构运动原理进行分析,总结相应的模型,设计了三个自由度的空间定位机构,实现X、Y、Z方向平移,一个自由度的偏转机构,实现进针角度的调整,以及一个自由度的末端执行机构,控制直线进针退针,并对各个主要零件的型号和大小进行详细的设计和验证;硬件部分采用模块化的设计,对中央控制FPGA模块进行电路设计,包含晶振电路、电源电路、复位电路和隔离电路,电机驱动模块进行电平转换设计,数据采集模块进行传感器的选型,设计了信号放大电路、限幅电路和AD采集电路,通信模块设计了USB通信电路;软件部分采用Verilog HDL语言,实现电机驱动功能、AD采样功能和USB通信功能,并结合Quartus II软件工具进行相应的仿真验证。本文设计的机器人系统,空间定位机构和偏转机构可以使穿刺针到达指定的进针点,采用模糊控制的方法,通过穿刺针的进针深度和受到的力可以实时调节穿刺速度,实现进针退针。经过测试机器人的定位误差在1mm以内,满足手术需求。