[發明專利]CT圖像導航脊柱微創手術機器人運動控制系統

無效

• 申請號: 201010118050.1
• 申請日: 2010-03-05
• 公開（公告）號: CN101803952A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 張建勛;高杰;黃凱;廖干洲;宋銀灝;張娜;劉曙光
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00;A61B17/56
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

1.一種CT圖像導航脊柱微創手術機器人運動控制系統，所述的微創手術機器人的主體結構為一個擁有三個平動自由度和兩個旋轉自由度，以及一個進針自由度的用于脊柱微創手術的機器人，具體包括：三條分別平行于X、Y、Z空間直角坐標軸的滾珠絲杠，以及可在相應絲杠上滑動的滑塊，三條平行于絲杠放置的光柵尺，每條絲杠的一端設有一個步進電機，其轉軸與絲杠相連；兩個用于使手術工具進行旋轉運動的步進電機以及與之相連的減速器和電位器；與末端手術工具相連的碼盤；用于安裝在CT機床導軌上的支架；其特征在于所述的微創手術機器人運動控制系統包括：

上位機：主要用于CT圖像的顯示及處理；為醫生提供規劃手術、操作機器人的界面；機器人坐標系與圖像坐標系之間映射計算；機器人運動學與逆運動學的計算，機器人路徑規劃；將最終計算得出的機器人位資轉換為機器人各個關節的運動距離，并將此距離信息發送給運動控制器，運動控制器據此完成定位任務；

運動控制器：根據上位機或用戶的需要，向五個相互獨立的步進電機驅動器發送速度指令，步進電機驅動器以這一速度控制各步進電機旋轉，同時，運動控制器還實時顯示微創手術機器人的運行狀況；

五個相互獨立的步進電機驅動器：包括分別與運動控制器連接的X、Y、Z軸步進電機驅動器和兩個旋轉軸步進電機驅動器；根據運動控制器發出的速度指令控制各步進電機以相應的速度旋轉，從而拖動微創手術機器人的三個平動自由度和兩個旋轉自由度各關節的運動，同時，還讀取X、Y、Z軸分別對應的光柵尺、與兩個旋轉軸步進電機相連的電位器以及用于測量醫生將穿刺針刺入患者體內的深度的碼盤的位置信息，并將這些位置信息反饋給運動控制器；

穿刺針進針位置反饋結構：用于實時測量手術進行時，醫生將穿刺針刺入患者體內的深度；

CAN總線：用于連接以上所有部分，并進行各部分之間的通訊。

2.根據權利要求1所述的運動控制系統，其特征在于所述的運動控制器包括：

現場可編程門陣列FPGA：作為運動控制器的核心處理器，其內部使用了先進的NIOSII軟核處理器，同時自行設計了外圍邏輯以提升系統整體性能，以達到控制器運算要求；

EPCS4：通過數據線與FPGA雙向連接，用于存儲FPGA的配置文件；

FLASH和SRAM：通過數據線與FPGA雙向連接，為NIOSII系統提供程序存儲空間和運行空間；

LCD接口電平轉換電路：通過數據線與FPGA雙向連接，實現FPGA的IO引腳3.3v電平與LCD模塊5v電平之間的轉換；

模數轉換電路：通過數據線與FPGA雙向連接，用于采樣觸摸屏的輸出電壓，并將結果送入FPGA；

CAN總線模塊：通過數據線與FPGA雙向連接，用于收發CAN數據幀；

搖桿控制模塊：與工業搖桿連接，并通過USB接口連接上位機，用于將工業搖桿的數據發送給上位機；

液晶屏：通過數據線與LCD接口電平轉換電路雙向連接，用于實時顯示脊柱微創手術機器人在手術過程中的運行狀況；

觸摸屏：與模數轉換電路連接，用于對控制器相關參數的設定；

工業搖桿：直接操作手術機器人的末端位姿，主要用于手術前的機器人標定工作。

3.根據權利要求1所述的運動控制系統，其特征在于所述的步進電機驅動器包括：

DSP2407：作為步進電機驅動器的核心處理器，用于產生驅動電機的PWM波形，同時讀取光柵尺反饋信息；

mos管驅動電路：與DSP連接，將DSP2407輸出的5v的PWM波轉換成12v以驅動H橋電路；

H橋電路：分別與mos管驅動電路和步進電機連接，直接為步進電機線圈提供電流；

電流反饋電路：連接在步進電機和DSP之間，檢測步進電機線圈電流，反饋給DSP，以形成電流閉環控制；

步進電機位置檢測裝置：與DSP連接，用于檢測步進電機的位置信息。

4.根據權利要求3所述的運動控制系統，其特征在于，X、Y、Z軸步進電機驅動器中所述的步進電機位置檢測裝置為分別與X、Y、Z軸對應的光柵尺。

5.根據權利要求3所述的運動控制系統，其特征在于，兩個旋轉軸步進電機驅動器中所述的步進電機位置檢測裝置為與旋轉軸步進電機相連的電位器，該電位器經放大電路與DSP連接。

6.根據權利要求1所述的運動控制系統，其特征在于所述的穿刺針進針位置反饋結構包括與穿刺針配合的碼盤，該碼盤與DSP2407連接，用于實時讀取穿刺針進針深度信息，并通過CAN總線將所述信息反饋給運動控制器。