一种微创手术机器人运动控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种微创手术机器人运动控制系统。本系统主要有PC模块，蓝牙收发模块，单片机模块，CAN总线模块，运动控制器模块，光电隔离模块，关节电机驱动芯片模块构成。本发明是一个实时性强，精确度高而且经济成本低的运动控制系统，既能减少成本又能让医生可以轻松地进行更加精确的手术操作，保证了手术的高可靠性。由于微创手术机器人的从手一般都是多关节组成，如果各关节的运动不能有效的协调，那么将会对病人造成比较大二次创伤，甚至威胁到患者的生命安全，所以对微创手术机器人运动控制系统的研究意义十分重大。
【专利说明】一种微创手术机器人运动控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种医学【技术领域】，尤其涉及一种微创手术机器人运动控制系统。
【背景技术】
[0002] 自上世纪80年代以来，微创手术（MIS-Minimally Invasive Surgery)技术方兴 未艾。使用微创手术技术，外科医生仅仅只需要在患者的病灶附近开两到三个直径大约为 10_左右的小孔即可进行手术操作。选择一个小孔作为内窥镜的入口，以便手术中进行观 察；另外的小孔用于插入手术器械及辅助工具。医生仅需要监视器就能清楚的看到插入患 者体内的手术工具的运动状态，从而协助医生外科手术。这种新的手术方式有着很显著的 优势：患者痛苦减轻；大大缩短了手术后的康复时间，降低了二次感染率，减轻了病人的心 里压力；最大可能的减小疤痕。随着数字技术的发展，数字控制系统能够很好地解决模拟系 统存在的一些诸如器件易老化、温漂较大等问题，将成为机器人运动控制系统发展的主流。 早期很多公司在数字化的运动控制控制系统中只是单一的使用了数字化集成模块，或者在 微处理器上移植了商业的RT0S内核来确保关节运动控制系统的实时性和稳定性。由于商 业的RT0S软件价格十分昂贵且源代码并不开源，不利于学习和普及。但是，如果不使用操 作系统，则对关节的精确实时运动控制就难以得到保证。uC/OS-II的问世，对于大多数从 事实时控制方案设计及嵌入式产品开发的设计者而言绝对是一种福音。它是一个完全免费 的开放式的内核，最主要的特点就是源代码完全公开，详细的注解，学习和应用起来比较简 单。利用该内核可以十分容易地开发出实时性较强的关节调度任务，来确保微创手术机器 人从手的多关节运动的协调性和精确性。基于上述原因，我们需要设计一个实时性强，精确 度高而且经济成本低的运动控制系统，既能减少成本又能让医生可以轻松地进行更加精确 的手术操作，保证了手术的高可靠性。由于微创手术机器人的从手一般都是多关节组成，如 果各关节的运动不能有效的协调，那么将会对病人造成比较大二次创伤，甚至威胁到患者 的生命安全，所以对微创手术机器人运动控制系统的研究意义十分重大。
【发明内容】
[0003] 为了提高手术精度，减少病人痛苦，本发明提供一种微创手术机器人运动控制系 统。
[0004] 本发明提出了一种微创手术机器人运动控制系统。一种微创手术机器人运动控制 系统。本系统主要有PC模块，蓝牙收发模块，单片机模块，CAN总线模块，运动控制器模块， 光电隔离模块，关节电机驱动芯片模块构成。本发明是一个实时性强，精确度高而且经济成 本6低的运动控制系统，既能减少成本又能让医生可以轻松地进行更加精确的手术操作， 保证了手术的高可靠性。由于微创手术机器人的从手一般都是多关节组成，如果各关节的 运动不能有效的协调，那么将会对病人造成比较大二次创伤，甚至威胁到患者的生命安全， 所以对微创手术机器人运动控制系统的研究意义十分重大。
[0005] 选用了 Maxon公司的RE30-310007型号直流电机作为关节电机。
[0006] 以飞思卡尔公司的推出的MC9S12XDP5 12高性能单片机作为各级分系统的核心 处理器。
[0007] 另外选用性能优越的LM629作为运动控制算法实现主要处理中心。
[0008] 选取ST公司的出品的L6203作为关节电机的驱动芯片。
[0009] 蓝牙通信模块采用了 HCI接口的单芯片解决方案，采用该种方案可以提高通信 的可控性和可靠性。
[0010] 本发明的功能在于，有效调节病患关节损伤，及时减少其痛苦。
[0011] 本发明与现有技术相比有以下优点：比以往的运动控制系统更加方便，更加人性 化，及时减少病患痛苦。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为运动控制系统的整体框图。
[0013] 图2为运动控制系统原理图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图，对本发明做进一步详述。
[0015] 如图1所示，本发明提出了一种微创手术机器人运动控制系统。本系统选用 了 Maxon公司的RE30-310007型号直流电机作为关节电机，以飞思卡尔公司的推出的 MC9S12XDP5 12高性能单片机作为各级分系统的核心处理器，另外选用性能优越的LM629 作为运动控制算法实现主要处理中心。LM629是一款专用的运动控制芯片，是运动控制领 域的佼佼者，在内部已经集成了 16位可编程的数字PID控制器，使用极为方便。这样以 来，单片机就可以轻松的对关节电机进行位置、速度等控制。为了使关节电机工作在额定功 率值，需要选择一款功率驱动芯片，并且以此芯片为核心设计电机驱动模块。经过多方面的 考虑，最终选取ST公司的出品的L6203作为关节电机的驱动芯片。
[0016] 在通信环节的设计上，主控制器通过蓝牙模块与PC机进行通信，而主控制器与 二级控制器之间的通信是通过CAN总线来完成。本系统中蓝牙通信模块采用了 HCI接口 的单芯片解决方案，采用该种方案可以提高通信的可控性和可靠性。经过充分调研，最终决 定使用金瓯公司推出的蓝牙模块。该内嵌式模块提供SCI通信接口，能够灵活的与PC机 及单片机进行信息互传。蓝牙模块采用的是具有硬件流控的SCI通信方式，而核心处理器 提供的SCI接口不具备这样的功能，所以需要用普通I/O 口来模拟SCI硬件流控方式， 实现MCU与蓝牙间的正常通信。另外，在MC9S12XDP512单片机上集成了丰富的CAN资 源，总共有5路CAN可供选择。在实际开发过程中只需要根据CAN模块的使用情况，额 外增加一片或几片CAN收发器也即82C250便可以实现一二级控制器之间的通信。
[0017] 当今，在处于使用期的微创手术机器人运动控制系统中大多数还是采用了主从式 控制方式。两个系统之间的速度、位置、力等重要信息通过有线或无线信道进行传输。本 文设计的运动控制器，是一个不受限于设备厂家及型号，能够单独运行也可以与其他公司 产品对接运行的运动控制系统。它仅提供各个关节空间数据和笛卡尔空间坐标，外扩诸如 RS232、RS485、CAN等常用的通讯口，方便的和各种微创手术机器人设备进行对接联试，如 图2所示。充分考虑到主手的在操作过程中的所需要的力信息的采集与传递、机械臂工作 空间的环境信息传递及控制命令的传输等功能。MCU接收到上位机的运动量等数据后驱动 机械臂，同时各关节信息采集单元采集到关节位置、速度、加速度以及力信息后，在MCU对 采集来的数据进行滤波处理后，再由蓝牙模块传送给上位机；各个功能子模块的主要任务 如下： (1) 数据处理模块：本单元模块主要负责完成两个重要的任务。其一，负责把关键的数 据从RAM区存储到EEPROM或者FLASH区，以保证在系统意外断电后关键数据不丢失。其 二，负责快速求解出运动学的正逆解； (2) 信息采集模块：主要完成各个关节位置、速度、加速度、力信息的采集，把采集来的 数据按照一定的规则打包发送给上位机。既能让操作者清楚的知道机械臂当前的姿态，又 有现场的力感觉； (3) 增强指令模块：用于下达当前亟待执行的任务给MCU。另外，该模块还保有一些扩 展命令，用于将来控制系统的功能扩展； (4) 通信模块：根据微创手术机器人的具体情况以及通用性和便利性等要求，在设计 中上位机与机械臂总控制器之间的通信采用了蓝牙无线通信，而机械臂总控制器和各个关 节之间使用CAN进行数据的相互传输。由于运动控制系统需要进行运动学的正、逆解算， 把主、从手的关节运动信息变换为笛卡尔空间的运动信息。而且运动学正、逆解算的工作都 由微处理器来完成，对于多个自由度的机器人系统而言，这种运算量非常大，所以必须选用 运算能力强的MCU来完成这些任务。
【权利要求】
1. 一种微创手术机器人运动控制系统，本系统主要有PC模块，蓝牙收发模块，单片机 模块，CAN总线模块，运动控制器模块，光电隔离模块，关节电机驱动芯片模块构成。
2. 根据权利要求1所述的微创手术机器人运动控制系统，其特征在于，选用了 Maxon 公司的RE30-310007型号直流电机作为关节电机。
3. 根据权利要求1所述的微创手术机器人运动控制系统，其特征在于，以飞思卡尔公 司的推出的MC9S12XDP5 12高性能单片机作为各级分系统的核心处理器。
4. 根据权利要求1所述的微创手术机器人运动控制系统，其特征在于，另外选用性能 优越的LM629作为运动控制算法实现主要处理中心。
5. 根据权利要求1所述的微创手术机器人运动控制系统，其特征在于，选取ST公司 的出品的L6203作为关节电机的驱动芯片。
6. 根据权利要求1所述的微创手术机器人运动控制系统，其特征在于，蓝牙通信模块 采用了 HCI接口的单芯片解决方案，采用该种方案可以提高通信的可控性和可靠性。
【文档编号】G05B19/19GK104142652SQ201310164946
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】李称鑫, 刘雁飞, 严小天 申请人:天津市天堰医教科技开发有限公司