一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要有PC模塊，藍(lán)牙收發(fā)模塊，單片機(jī)模塊，CAN總線(xiàn)模塊，運(yùn)動(dòng)控制器模塊，光電隔離模塊，關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片模塊構(gòu)成。本發(fā)明是一個(gè)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精確度高而且經(jīng)濟(jì)成本低的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，既能減少成本又能讓醫(yī)生可以輕松地進(jìn)行更加精確的手術(shù)操作，保證了手術(shù)的高可靠性。由于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的從手一般都是多關(guān)節(jié)組成，如果各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)不能有效的協(xié)調(diào)，那么將會(huì)對(duì)病人造成比較大二次創(chuàng)傷，甚至威脅到患者的生命安全，所以對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究意義十分重大。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 自上世紀(jì)80年代以來(lái)，微創(chuàng)手術(shù)（MIS-Minimally Invasive Surgery)技術(shù)方興 未艾。使用微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，外科醫(yī)生僅僅只需要在患者的病灶附近開(kāi)兩到三個(gè)直徑大約為 10_左右的小孔即可進(jìn)行手術(shù)操作。選擇一個(gè)小孔作為內(nèi)窺鏡的入口，以便手術(shù)中進(jìn)行觀 察；另外的小孔用于插入手術(shù)器械及輔助工具。醫(yī)生僅需要監(jiān)視器就能清楚的看到插入患 者體內(nèi)的手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而協(xié)助醫(yī)生外科手術(shù)。這種新的手術(shù)方式有著很顯著的 優(yōu)勢(shì)：患者痛苦減輕；大大縮短了手術(shù)后的康復(fù)時(shí)間，降低了二次感染率，減輕了病人的心 里壓力；最大可能的減小疤痕。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)能夠很好地解決模擬系 統(tǒng)存在的一些諸如器件易老化、溫漂較大等問(wèn)題，將成為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的主流。 早期很多公司在數(shù)字化的運(yùn)動(dòng)控制控制系統(tǒng)中只是單一的使用了數(shù)字化集成模塊，或者在 微處理器上移植了商業(yè)的RT0S內(nèi)核來(lái)確保關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。由于商 業(yè)的RT0S軟件價(jià)格十分昂貴且源代碼并不開(kāi)源，不利于學(xué)習(xí)和普及。但是，如果不使用操 作系統(tǒng)，則對(duì)關(guān)節(jié)的精確實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制就難以得到保證。uC/OS-II的問(wèn)世，對(duì)于大多數(shù)從 事實(shí)時(shí)控制方案設(shè)計(jì)及嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)者而言絕對(duì)是一種福音。它是一個(gè)完全免費(fèi) 的開(kāi)放式的內(nèi)核，最主要的特點(diǎn)就是源代碼完全公開(kāi)，詳細(xì)的注解，學(xué)習(xí)和應(yīng)用起來(lái)比較簡(jiǎn) 單。利用該內(nèi)核可以十分容易地開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的關(guān)節(jié)調(diào)度任務(wù)，來(lái)確保微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器 人從手的多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和精確性。基于上述原因，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精確 度高而且經(jīng)濟(jì)成本低的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，既能減少成本又能讓醫(yī)生可以輕松地進(jìn)行更加精確 的手術(shù)操作，保證了手術(shù)的高可靠性。由于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的從手一般都是多關(guān)節(jié)組成，如 果各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)不能有效的協(xié)調(diào)，那么將會(huì)對(duì)病人造成比較大二次創(chuàng)傷，甚至威脅到患者 的生命安全，所以對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究意義十分重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了提高手術(shù)精度，減少病人痛苦，本發(fā)明提供一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明提出了一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要有PC模塊，藍(lán)牙收發(fā)模塊，單片機(jī)模塊，CAN總線(xiàn)模塊，運(yùn)動(dòng)控制器模塊， 光電隔離模塊，關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片模塊構(gòu)成。本發(fā)明是一個(gè)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精確度高而且經(jīng)濟(jì)成 本6低的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，既能減少成本又能讓醫(yī)生可以輕松地進(jìn)行更加精確的手術(shù)操作， 保證了手術(shù)的高可靠性。由于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的從手一般都是多關(guān)節(jié)組成，如果各關(guān)節(jié)的 運(yùn)動(dòng)不能有效的協(xié)調(diào)，那么將會(huì)對(duì)病人造成比較大二次創(chuàng)傷，甚至威脅到患者的生命安全， 所以對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究意義十分重大。
[0005] 選用了 Maxon公司的RE30-310007型號(hào)直流電機(jī)作為關(guān)節(jié)電機(jī)。
[0006] 以飛思卡爾公司的推出的MC9S12XDP5 12高性能單片機(jī)作為各級(jí)分系統(tǒng)的核心 處理器。
[0007] 另外選用性能優(yōu)越的LM629作為運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)主要處理中心。
[0008] 選取ST公司的出品的L6203作為關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。
[0009] 藍(lán)牙通信模塊采用了 HCI接口的單芯片解決方案，采用該種方案可以提高通信 的可控性和可靠性。
[0010] 本發(fā)明的功能在于，有效調(diào)節(jié)病患關(guān)節(jié)損傷，及時(shí)減少其痛苦。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：比以往的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)更加方便，更加人性 化，及時(shí)減少病患痛苦。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體框圖。
[0013] 圖2為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
[0015] 如圖1所示，本發(fā)明提出了一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用 了 Maxon公司的RE30-310007型號(hào)直流電機(jī)作為關(guān)節(jié)電機(jī)，以飛思卡爾公司的推出的 MC9S12XDP5 12高性能單片機(jī)作為各級(jí)分系統(tǒng)的核心處理器，另外選用性能優(yōu)越的LM629 作為運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)主要處理中心。LM629是一款專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制芯片，是運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng) 域的佼佼者，在內(nèi)部已經(jīng)集成了 16位可編程的數(shù)字PID控制器，使用極為方便。這樣以 來(lái)，單片機(jī)就可以輕松的對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行位置、速度等控制。為了使關(guān)節(jié)電機(jī)工作在額定功 率值，需要選擇一款功率驅(qū)動(dòng)芯片，并且以此芯片為核心設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。經(jīng)過(guò)多方面的 考慮，最終選取ST公司的出品的L6203作為關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。
[0016] 在通信環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上，主控制器通過(guò)藍(lán)牙模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，而主控制器與 二級(jí)控制器之間的通信是通過(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)完成。本系統(tǒng)中藍(lán)牙通信模塊采用了 HCI接口 的單芯片解決方案，采用該種方案可以提高通信的可控性和可靠性。經(jīng)過(guò)充分調(diào)研，最終決 定使用金甌公司推出的藍(lán)牙模塊。該內(nèi)嵌式模塊提供SCI通信接口，能夠靈活的與PC機(jī) 及單片機(jī)進(jìn)行信息互傳。藍(lán)牙模塊采用的是具有硬件流控的SCI通信方式，而核心處理器 提供的SCI接口不具備這樣的功能，所以需要用普通I/O 口來(lái)模擬SCI硬件流控方式， 實(shí)現(xiàn)MCU與藍(lán)牙間的正常通信。另外，在MC9S12XDP512單片機(jī)上集成了豐富的CAN資 源，總共有5路CAN可供選擇。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中只需要根據(jù)CAN模塊的使用情況，額 外增加一片或幾片CAN收發(fā)器也即82C250便可以實(shí)現(xiàn)一二級(jí)控制器之間的通信。
[0017] 當(dāng)今，在處于使用期的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多數(shù)還是采用了主從式 控制方式。兩個(gè)系統(tǒng)之間的速度、位置、力等重要信息通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行傳輸。本 文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器，是一個(gè)不受限于設(shè)備廠家及型號(hào)，能夠單獨(dú)運(yùn)行也可以與其他公司 產(chǎn)品對(duì)接運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。它僅提供各個(gè)關(guān)節(jié)空間數(shù)據(jù)和笛卡爾空間坐標(biāo)，外擴(kuò)諸如 RS232、RS485、CAN等常用的通訊口，方便的和各種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行對(duì)接聯(lián)試，如 圖2所示。充分考慮到主手的在操作過(guò)程中的所需要的力信息的采集與傳遞、機(jī)械臂工作 空間的環(huán)境信息傳遞及控制命令的傳輸?shù)裙δ堋CU接收到上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)量等數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng) 機(jī)械臂，同時(shí)各關(guān)節(jié)信息采集單元采集到關(guān)節(jié)位置、速度、加速度以及力信息后，在MCU對(duì) 采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，再由藍(lán)牙模塊傳送給上位機(jī)；各個(gè)功能子模塊的主要任務(wù) 如下： (1) 數(shù)據(jù)處理模塊：本單元模塊主要負(fù)責(zé)完成兩個(gè)重要的任務(wù)。其一，負(fù)責(zé)把關(guān)鍵的數(shù) 據(jù)從RAM區(qū)存儲(chǔ)到EEPROM或者FLASH區(qū)，以保證在系統(tǒng)意外斷電后關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟失。其 二，負(fù)責(zé)快速求解出運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆解； (2) 信息采集模塊：主要完成各個(gè)關(guān)節(jié)位置、速度、加速度、力信息的采集，把采集來(lái)的 數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則打包發(fā)送給上位機(jī)。既能讓操作者清楚的知道機(jī)械臂當(dāng)前的姿態(tài)，又 有現(xiàn)場(chǎng)的力感覺(jué)； (3) 增強(qiáng)指令模塊：用于下達(dá)當(dāng)前亟待執(zhí)行的任務(wù)給MCU。另外，該模塊還保有一些擴(kuò) 展命令，用于將來(lái)控制系統(tǒng)的功能擴(kuò)展； (4) 通信模塊：根據(jù)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的具體情況以及通用性和便利性等要求，在設(shè)計(jì) 中上位機(jī)與機(jī)械臂總控制器之間的通信采用了藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信，而機(jī)械臂總控制器和各個(gè)關(guān) 節(jié)之間使用CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸。由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的正、逆解算， 把主、從手的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息變換為笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)信息。而且運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解算的工作都 由微處理器來(lái)完成，對(duì)于多個(gè)自由度的機(jī)器人系統(tǒng)而言，這種運(yùn)算量非常大，所以必須選用 運(yùn)算能力強(qiáng)的MCU來(lái)完成這些任務(wù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要有PC模塊，藍(lán)牙收發(fā)模塊，單片機(jī) 模塊，CAN總線(xiàn)模塊，運(yùn)動(dòng)控制器模塊，光電隔離模塊，關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片模塊構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，選用了 Maxon 公司的RE30-310007型號(hào)直流電機(jī)作為關(guān)節(jié)電機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，以飛思卡爾公 司的推出的MC9S12XDP5 12高性能單片機(jī)作為各級(jí)分系統(tǒng)的核心處理器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，另外選用性能 優(yōu)越的LM629作為運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)主要處理中心。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，選取ST公司 的出品的L6203作為關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，藍(lán)牙通信模塊 采用了 HCI接口的單芯片解決方案，采用該種方案可以提高通信的可控性和可靠性。
【文檔編號(hào)】G05B19/19GK104142652SQ201310164946
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】李稱(chēng)鑫, 劉雁飛, 嚴(yán)小天 申請(qǐng)人:天津市天堰醫(yī)教科技開(kāi)發(fā)有限公司