1、脑外科手术机器人是由计算机控制，根据大脑病灶的部位，自动合理地选定手术位置，协助医生进行脑外科手术的机器人系统。它手术定位准确、创面小、时间短，还可通过网络通讯在千里之外遥控机器人施行手术。开发该型机器人，对提高我国医疗手术水平具有重大的意义。本论文是“无框架立体定向神经外科手术机器人”项目的一部分，主要是实现对电动机的控制，保证系统能够快速响应和精确定位，通过对电动机构成和原理的学习，分析了电动机系统的控制结构，完成对电动机系统的建模，在系统中加入了前馈和反馈控制，来满足控制要求。在得出计算参数后，利用 MATLAB软件进行了系统的仿真，通过对图线的分析，找到设计中的缺陷，对参数进行优化，验
2、证了该控制系统的精度和稳定性。关键词 伺服电动机 参数设计 系统仿真本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 14 页毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title The No-frame Directional Neurosurgery Surgical Robot - Servo-motor Control System Design AbstractThe brain surgical operation robot that is controlled by the computer, accordKeywords servo-moto
3、r parameter design system imitation本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 14 页1 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述摘要：随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及与医学科学的紧密结合，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用，特别是应用于外科手术的机器人已经在临床医学领域崭露头角，尽管目前世界上仅有几个国家能开展临床应用。但它已成为国际医学界研究的热点。关键词：医用机器人 脑外科手术 引言：国际标准组织（MSN）对机器人是这样定义的：机器人是一
4、种自动的位置可控的具有可编程能力的多功能机械手，这种机械手有几个关节，它能够借助于可编程程序操作成搬运物料、零件工具或特定装置，以执行各种任务。 显而易见，这个定义几乎适用于许多领域中有点“灵性”的机器。因此，各个领域都不失时机地开发了相关的机器人，由于机器人工作领域不同，这些机器人功能和样式又千差万别。但是很明显的一点是这个定义同样适用于脑立体定向手术。因此，脑外科机器人不但在实际神经外科领域也在可允许的概念中应运而生了。脑外科手术机器人是一种在 CT 等三维医学图象导引下，根据大脑病灶的所在部位，由计算机控制，能自动合理地选定下刀位置，协助医生进行脑外科手术的机器人.它把高度智能化的电子计
5、算机技术应用于神经外科领域，手术时不必开颅，有下刀位置准确、手术创面小、时间短，术后恢复快等特点，既减轻了病人的痛苦，又大大提高了手术的成功率，而且通过计算机网络通讯，医生可在千里之外遥控手术机器人，替病人施行手术。因此，开发研制脑外科手术机器人，对提高医疗手术水平具有十分重大的意义。当今社会机器人技术、图像处理技术、虚拟现实技术、电子通讯技术、微创手术技术高速发展，外科机器人步入临床医学领域，医用机器人这个多学科的交叉研究领域已经展现出了广阔的前景。年，医用机器人诞生了，它首先被用来辅助神经外科手术。7从此开始，国际医学界开始研究将机器人应用于脑手术。由于其技术先进，需要多学科合作，本 科
6、毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 14 页最初国外开展此项研究的仅有法国、美国、日本、加拿大等少数国家，且立体定向手术均依赖于定向仪框架。随着技术的进步，机器人系统也在变化，90 年代中期，一家英国的医疗机器人公司研制的一种脑外科手术机器人能利用“智能” 软件，提出切入肿瘤的最佳路线，使周围的健康组织损伤很小。进行这类尝试的还有瑞士洛桑大学，手术时患者的头部被固定在一个钢框内，医生通过 X 射线断层照相装置观察病人颅内情况。并将有关的手术数据输入到控制机器人的计算机中。机器人做手术十分精确，机精度为 0.5 毫米。这个机器人能切除肿瘤、能用放射性光束杀死脑中的癌细胞还
7、能用导管破坏帕金森病患者脑中的有病细胞，从而制止病人的颤抖。日本东京大学工学院的土肥健纯教授领导的科研人员在进行计算机外科研究时，开发出一种能进行脑神经外科范围手术的机器人。通过模拟实验确认，机械手插入针的位置误差仅为.毫米，针的位置及角度均可以调节。1此外，英国诺丁汉女王医学中心的Path Finder 的脑外科手术机器人，1日本的 IMATRON 公司生产了商品化的脑外科机器人 Neu roM ate，加拿大的 YIK SANKW OH 研究的基于 PUMA262 的立体定向脑外科机器人系统，1瑞典 El ekta 公司并联机构七自由度医用机器人系统Surgiscope1等机器人都已经有了
8、不俗的表现。在我国由北京航空航天大学等单位共同研制的脑外科手术机器人已经应用于临床手术，从 1997 年海军总医院应用自行研制的脑外科机器人成功完成第一例不开颅脑手术之后，截止到日前时止，已为 220余位病人实施了这种手术，且均获成功。 临床实践表明：机器人辅助立体定向外科集成系统可以提高定位的精确度和实现操作的可视化，简化手术操作过程，方便术者操作并减少手术创伤，缩短了病人的康复时间，加强了手术的安全性和灵活性，并可避免放射性药物对医务人员的伤害，为实施脑深部肿瘤外科手术提供了新的途径。另外，该项目研究的有关成熟技术可以应用于微创伤显微外科，内窥镜腹腔外科，脊椎外科，矫形外科等其它医疗手术中
9、。目前在国际上，高新的机器人技术在医疗领域的应用正在形成一个新的产业，我国政府有关部门已经开始关注这类医疗电子设备的研究与开发，国内清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、南开大学、上海冶金所!上海光机所以及长春光机所等分别在仿生机械，医疗外科机器人，微机器人方面开展了初步的研究工作，并正在积极与各大医院加强合作，将研究成果向实用方向转化。总的来看，国内医用机器人系统的研究刚刚起步，据调查，医院迫切需要用于能够对外科手术进本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 14 页行辅助的医用机器人系统，有的医院尽管已从西方发达国家进口了该类系统，但进口软件的
10、设计是针对外国患者体形的，由于东西方人体形上的差异，因此进口系统的应用也受到了限制。结论： 由此可见，医用手术机器人的前景将是非常广阔的！各种用途的医用机器人也有待于我们进一步去研制和开发，据联合国欧洲经济委员会（UNECE）及国际机器人联合会（IFR ）有关近几年世界机器人发展的统计：从 2003 年2006 年医用机器人的装备量将达到 10000 台以上 。医学科学领域中的机器人队伍会不断地发展壮大，并会得到更加广泛的应用！近年来，由于我国科学技术研究取得了长足的进步，在先进机器人关键技术的研究也取得了许多重大突破，如冗余度机器人机构，多指灵巧手，传感器，局部自主控制以及全局行动规划等，这
11、些关键技术可以直接推动医疗外科机器人系统的研究和发展，另外在国家支持和市场需求的推动下，相信医疗外科机器人系统的研究开发一定能够得到蓬勃发展！参考文献田增民立体定向神经外科进展国外医学神经病学神经外科学分册，1999，26(1)： 3 5 Iskandar BJ, Nashold BS. History of functional neurosurgery FIT Neurosure Clin North Am. 1995.6.1 一 25 杨晓光揭开脑外科机器人的神秘面纱首都医药，（）：徐锡林，金杰，鲁庆华脑外科手术机器人的机构分析与研究上海交通大学学报，（）： 田增民，王田苗，刘宗惠，等.
12、机器人系统辅助脑立体定向手术.军医进修学院学报，1998,19(1)：4 6 Apuzzo ML. New dimensions of neurosurgery in the realm of high technology: possibilities, practicalities, realities. Neurosuraerv. 1996,38.625 一 629. celyne Troccaz: Introduction to Medical Robotics （Summer European University in Surgical Robotics Montpellier,
13、France Sept 6/Sept 13, 2003）本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 14 页 Rhodes ML. Computer graphics and medicine:a complex partnership. IEEE Comp Appl，1997，17 :22 Rabischong P . Robots for surgeons or surgeons for robot?Comp Aid Surg，1997 ,2 :3 Kondziolka D，Lunsford LD. Guided neurosurgery using the ISG
14、 Viewing Wand. Contemp Neurosurg，1995，17 :1 景扶苇，王伯华医用手术机器人机器人技术与应用，：1 计算机控制的脑外科手术机器人医械信息1 刘先曙作脑外科手术的机器人科技动态，：1 陈梦东，王田苗，张启先医疗外科机器人系统的研究和发展国外医学生物医学工程分册（）：1 丑武胜，王田苗面向脑外科微创手术的医疗机器人系统机器人技术应用，： 王伟世界机器人 2002 年统计数据机器人技术与应用，：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 14 页目 录 1 绪论11.1 课题背景1本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第
15、8 页 共 14 页1.2 医疗外科机器人的分类和特点21.3 无框架立体定向神经外科手术机器人的发展31.4 本论文的主要内容52 控制系统设计的总体方案62.1 手术机器人控制系统的构成62.2 控制系统方案的选择72.3 控制系统数学模型的建立93 控制系统参数确定133.1 电动机的主要技术参数133.2 PWM 控制器的主要参数133.3 速度和电流检测环节143.4 电流环的设计143.5 速度环的设计163.6 位置环的设计203.7 前馈控制器设计224 调节器的实现254.1 PI 调节器的原理254.2 电流环 PI 调节器的实现264.3 速度环 PI 调节器的实现264
16、.4 脉宽调节器的实现275 控制系统的仿真285.1 MATLAB 在控制系统仿真中的应用285.2 仿真的方法和参数优化285.3 电流环的仿真分析295.4 速度环的仿真分析315.5 位置环的仿真分析335.6 前馈环节的仿真分析34结论37致谢38参考文献39附录 A40绪论1.1 课题背景机器人技术是二十世纪人类科学技术, 特别是计算机、自动控制技术等现代技术发展的重要产物之一。自从二十世纪中期的第一台工本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 14 页业机器人诞生到现在, 机器人技术早已不再局限于传统的工业和制造业。同时随着微电子技术、医学影像技术、现代
17、信息处理技术和计算机技术的迅猛发展以及与医学科学的紧密结合，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用，特别是应用于外科手术的机器人已经在临床医学领域崭露头角，一些研究成果已显示出巨大的潜在经济和社会效益。这方面的研究不仅在提高手术的质量、减少手术创伤、缩短病人的恢复周期、降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革，也将改变传统医疗外科的许多概念，对新一代手术设备的开发与研制，对医学的教学与研究，对临床或家庭的护理及康复工程等方面的发展也将产生深远的影响，并对机器人技术(Robotics)、计算机虚拟现实技术(Virtual Reality)、机械电子学技术(Mechatron
18、ics)等相关学科的理论与技术发展也产生了积极的推图 5.18 有前馈时正弦误差曲线（限幅）加入前馈后，再按图 5.14 进行仿真，得到图 5.18，从图中我们可以看出误差大为减小，也几乎为零。由此可见采用前馈复合控制后的电动机伺服控制系统其跟踪精度大为提高，它已经足以满足系统对跟踪精度的要求。在仿真的过程中，我们对计算后的参数进行了多次调试，并根据仿真的结果进行了修改，结果表明设计满足了系统的要求。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 14 页结 论 在“无框架立体定向神经外科手术机器人”这个项目中，涉及到了伺服电动机的控制，且本系统要求稳态误差小、无超调，响
19、应速度不要求很高。本论文的重点围绕着这几个要求，通过对电机控制系统的学习，对伺服电动机进行了建模和控制参数的设计，并对设计参数进行了仿真和优化。在项目实施过程中，根据具体情况对方案中的难点进行了攻关。为了保证系统的稳定性，快速性以及精确性，在本项目中采用了闭环控制，前馈控制和陷波环节，这样可以减少系统的跟随误差和机械振动，采用了数值计算软件 MATLAB 进行仿真，使设计在模拟的环境下得到了再现，为我们的设计提供了极大的方便。仿真的情况表明，设计已经基本达到了要求。本系统设计在选择方案时仅采用比较简单的 PI 调节器，而对于实际的控制算法有很多更加精确的控制方法，如模糊控制，自适应控制，由于我所学知识的有限性，目前还无法掌握，没有应用到设计中去，这些控制方案可以使系统的精确性进一步提高，在系统的后续开发中可以使系统更加完善，这也是系统改进的一个方面。最后，通过这一部分的研究，我体会到了控制系统设计的复杂性，并且注意到，在控制领域中，交流伺服系统以及变频调速已经变的越来越普及，对该部分的进一步研究有助于自己在控制领域中获得更多的知识，有更大的长进，这也激发了我的学习兴趣。
