基于互联网的脊柱微创手术机器人远程控制系统设计

作     者：石炎 

作者单位：河南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈富安

授予年度：2019年

学科分类：1002[医学-临床医学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 10[医学] 

主      题：手术机器人 远程控制 步进电机 Qt 模糊PID 

摘      要：随着互联网和机器人技术的发展,远程控制机器人在医疗领域中产生了深远的社会影响。远程微创手术不仅具有微创手术成功率高、费用低、创口小的优点,而且能够使医生和患者跨越地域隔离的限制,提高手术的可执行率。微创手术机器人的应用对于医疗资源的共享和脊柱微创技术在临床的进一步推广运用具有重要的意义。而可靠的通信和高效的控制策略一直是远程机器人控制系统中的重点和难点,同时也是提高手术精度、保证手术成功率的根本所在。本课题在郑州大学第一附属医院自主研发的脊柱微创手术机器人基础上,提出了基于互联网的远程控制系统设计方案。论文首先对手术机器人的组成结构进行分析,明确系统控制对象,并根据D-H参数对手术机器人进行运动学建模与仿真,利用MATLAB的机器人工具箱完成正解运算和逆解分析;并在此基础上进行机器人控制技术的研究,提出一种基于步进电机的模糊PID控制方法,通过建模仿真和数据分析从理论和实践双向证明了模糊PID控制技术较开环控制、传统PID控制在响应时间和超调量上的改善。然后在远程控制技术的基础上设计一套具备远程通信和现场控制的系统硬件设计方案,即由PC上位机、ARM控制器和触摸屏组成的远程控制系统。详细介绍了硬件设计中最小系统电路、存储电路、驱动电路、通信电路的实现原理和重要元器件的参数及选型,最终给出经过多次调整、改进的PCB样板。其次,通过对互联网通信原理的分析确定基于嵌入式网络通信的u IP协议栈和套接字的系统通信方案。在机器人交互协议的基础上介绍了串口、网卡、摄像头等模块在嵌入式软件和上位机软件中的详细开发流程,同时介绍了位于本地控制的触摸屏在人机界面开发中的主要步骤。论文最后对系统进行功能验证与分析,进行了控制器的PCB测试和通讯测试;进行了基于Qt的上位机控制软件和触摸屏人机界面的软件测试。最终在机器人实验平台上完成控制系统的整体测试和分析,验证了远程控制系统方案的可行性。