脊柱微创手术机器人研究现状

外科手术机器人是当前机器人研究领域的热点，机器人操作的精确性、稳定性已经得到医疗界及患者的认可。本文以脊柱微创手术为背景，对目前脊柱（骨科）手术机器人的研究现状及未来发展趋势进行分析和论述。     

脊柱手术机器人

针对脊柱手术中的椎弓根钉内固定术,为克服医生操作手术时定位精度难以保证、长时间手术易疲劳等问题,设计了一套脊柱手术机器人系统用于辅助实施椎弓根钉内固定术。机器人为5自由度,充分考虑手术机器人对安全性和工作空间有效覆盖的要求,进行了构型设计,并完成了相应的机器人运动学分析。控制系统是由图像导航下的主动控制和基于力传感器的被动拖拽控制两个模式进行控制。主动控制下,医生通过导航系统提供最优钉道的精确位置信息,机器人根据医生的规划路径自主到达手术点;被动力拖拽控制基于导纳控制原理对医生作用在机器人末端执行器的操作力进行映射,并以此形成跟随拖动动作的机器人运动控制指令。针对力拖拽控制的实验验证了机器人在被动拖拽控制模式下能够柔顺地跟踪医生的操作动作。     

基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计

针对微创手术机器人运动过程受到信号干扰而导致机器入主从臂控制效果差、控制精度较低的问题,提出了基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;主控制器通过蓝牙的无线传输方式与主机连接,采用I/O口模拟SCI硬件流控方式,实现MCU与蓝牙通信,为系统提供基础数据;设计时钟基准电路的并联振荡模式,方便失控程序重启;根据运动控制器结构,设计预留模数转换接口,并对机器人主从操作臂展开详细分析;使用基于STFT短时傅里叶变换方法抑制外界干扰,在LM629运动控制专用集成芯片支持下设计控制流程,完成基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;设计对比实验,结果表明该系统与期望主臂运动轨迹的终点坐标(10 mm,-35 mm,45 mm)和从臂运动轨迹的终点坐标(18 mm,-45 mm,25 mm)一致,能够精准控制微创手术机器人运动精度,为医学手术智能化开展提供设备支持.     

基于增强现实的脊柱微创手术导航系统

针对脊柱微创手术实际的临床导航需求,设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建,将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定,采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械,建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系,将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中,从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示,帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试,系统导航误差小于2.8 mm,可以满足脊柱外科的临床应用要求。     

RSSS-II 脊柱手术机器人系统开发及其实验研究

手术机器人应用于脊柱手术中,辅助医生完成脊柱手术中钉道定位、钻钉道等操作,有助于降低医生工作强度,保证了手术操作的精确性、稳定性和安全性.文章针对椎弓根钉内固定术,设计研制了脊柱手术辅机器人系统RSSS-Ⅱ.首先,从脊柱手术的临床需求出发,充分考虑术中安全性、手术区域覆盖范围、患者术中摆位以及对机器人占地空间等多方面因素,设计六自由度串联式手术机械臂以及力反馈钻骨装置.其次,以椎弓根钉内固定术中准确定位为目的,对机器人导航定位所涉及的关键技术展开研究,构建了图像导航定位系统.最后,通过精度测试实验和离体样本骨实验,对关键技术及系统的精度、安全性等进行原理性验证.实验结果显示,脊柱手术机器人系统RSSS-Ⅱ能满足手术对精度的要求.     

面向脑外科微创手术的医疗机器人系统

机器人为微创外科手术的实施提供了有利的技术支持。本文针对传统脑外科手术的不足，开发研制了一套机器人辅助脑外科微创手术系统，主要由5自由度机器人、手术规划和导航软件及基于标志点的标定模块组成，其中机器人系统不仅可用于系统标定和导航，而且可作为手术的支撑平台。该系统已应用到临床中，成功完成了大量的微创脑外科手术。     

微创手术机器人的力/位解耦协同智能控制

为解决目前市场上可利用的微创手术机器人都不包含重要的触觉(力)反馈机制的问题,根据人体内部双边解耦协同的生理调控机制,结合微创手术机器人的控制特性,开发了一种新颖的力/位解耦协同控制策略,并设计相应的智能控制系统.通过4个3自由度触觉操纵器装置,对提出的智能控制系统性能进行了真实的实验验证.实验结果表明,提出的控制系统能够实现力/位信号的解耦与协同控制.操作者能够获得准确的力反馈信号,确保机器人和谐、平稳地完成任务.     

腹腔微创手术机器人的主从控制

为提高基于内窥镜的腹腔微创手术机器人系统的手眼协调一致性,提出了一种主从控制方法.基于旋量理论建立从手系统的正逆运动学模型,基于运动模型提出内窥镜坐标系下的主从运动控制算法,该算法包含了运动的一致性控制、相对运动控制和比例运动控制.主手的腕部为被动方式(无电机驱动),不能在任意位置保持静止,在手术开始、中途中断或调节主手工作空间时,主手和从手姿态不能保持一致.为此,开展3种辅助功能实现研究,分别为主从姿态配准、手术器械更换和主从二次映射.最后进行了套环和穿线实验,这两组实验最大空间位置误差均小于1 mm,说明该算法可有效地提高手眼协调的一致性.     

腹腔微创手术机器人末端执行机构的设计和实现

为了提高腹腔微创手术的安全性,设计了一种新型的腹腔微创手术机器人末端执行机构,用于夹持手术器械．根据腹腔微创手术的特点和技术要求,采用轴驱动和平行四杆的运动原理设计定点机构．详细介绍了末端执行机构的机械结构,应用D-H法和矢量代数法给出了各个关节的运动学解公式,研究了控制系统的硬件结构和软件系统,并进行了样机实验．实验表明所设计的末端执行机构具有很好的定点运动效果,能够较好地完成手术规划,满足腹腔微创手术要求．     

基于MCT8000S4的机器人运动控制系统

本论述了基于DSP多轴运动控制器MCT8000S4的机器人控制系统。整个系统采用一个工控计算机和一块基于DSP的多轴控制器（MCT8000S4），较好的实现了对机器人的时实控制。该系统通过VC语言编程的用户界面与DSP控制板通讯，对机器人进行控制，该系统能够实现自动搬动放物品，使机器人具有一定的智能，这一机器人系统可以用于工业中，也可以作为娱乐机器人。     

Motion control analysis of a parallel robot assisted minimally invasive surgery/microsurgery system (PRAMiSS)

This paper presents motion control architectures for a parallel robot assisted minimally invasive surgery/microsurgery system (PRAMiSS) that enable it to achieve milli/micro-manipulations under the constraint of moving through a fixed penetration point or so-called remote centre-of-motion (RCM) point without any mechanical constraint. Two control structures suitable for minimally invasive surgery operations with submillimeter accuracy and for minimally invasive microsurgery operations with the desired accuracy in micron range are proposed. The control algorithm also applies orientation constraints preventing the tip from orienting around the instrument axis due to the robot movements as well as a minimum displacement constraint to minimise the movements of the parallel micropositioning robot. Experiments were performed and the results are analysed in this paper to verify accuracy and effectiveness of the proposed control algorithm for both cases of minimally invasive surgery and microsurgery operations. The experimental results present good accuracy and performance of the control algorithm. The numerical modelling and graphical simulations were also carried out and the results are also provided that demonstrate the correlation between the experimental results and physical responses.     

基于CAN的开放式分布系统标准SDS

SDS(Smart Distribution Systems)是由Honeywell Micro Switch公司开发的一个开放式网络标准。本文主要介绍了SDS的发展背景、技术特点及其设备建模。     

CAN总线应用层协议的研究与实现

在研究CAN协议的原理及应用技术的基础上,为了满足波控系统控制策略的需要,设计了CAN总线应用层协议。该协议对网络信息进行了分类,在CAN2.0B标准基础上重新定义了标识符域,并对数据编码、网络管理机制和物理接口等作了定义。介绍了所开发的基于CAN总线的控制网络。实际运行表明,该协议具有网络负载小、通讯实时性好和可靠性高的特点。     

具有震颤抑制的微创机器人主从控制系统设计

详述了一种用于抑制微创手术机器人震颤现象的主从控制系统，提出了针对人手生理震颤的新型零相位滤波方法及针对从操作臂关节“粘滑行为”的前馈补偿PD伺服算法。新型零相位滤波避免了传统低通滤波器容易造成延时和传统零相位滤波无法在线使用的缺点，前馈补偿PD伺服算法通过摩擦补偿克服了非线性摩擦对从操作臂运动造成的影响。最后，对系统进行仿真及实验，结果表明该方法能有效地抑制机器人手术工具末端的震颤现象。     

淡水鱼糜加工生产线中控制器局域网络抗干扰设计

在分析淡水鱼糜加工生产线工艺流程的基础上,介绍了自动生产线中控制器局域网(CAN-Controller Area Network)的硬件组成,然后在分析各种网络抗干扰措施的基础上,对自动生产线CAN进行了抗干扰设计。重点介绍了系统的安全接地措施,在本CAN通信网络中,主要采用"浮地—屏蔽接地方案"解决网络的抗干扰问题。     

基于CAN总线的实时DSP应用算法

根据控制局域网络（CAN）的特点及应用要求,提出一种新的动态调度协议（DSP）,通过动态选择时间间隙调度信息,同时考虑实时数据的重传机制,并在此基础上介绍基于CAN总线的实时DSP应用算法,该算法不仅能满足CAN网络中实时应用系统的性能要求,还能充分利用CAN网络带宽。实验结果表明,该算法降低了传输请求程序的平均信号延迟,同时提高了网络利用率。     

一种低成本嵌入式互联系统的设计与实现

为了在不改变原有网络结构的情况下,将现场总线控制系统改造为基于以太网的分布式控制系统,研发了基于ARM体系结构的STR912FW44嵌入式微控制器的低成本嵌入式CAN-Ethernet网关。STR912FW44采用ARM966E-STM内核,集成了以太网控制器和CAN总线控制器。该嵌入式CAN-Ethernet网关采用嵌入式TCP/IP协议栈与以太网中的设备进行通信,并利用STR912FW44集成的CAN控制器与CAN总线上的终端进行通信。在通信过程中,STR912FW44进行TCP/IP协议和CAN协议之间的转换。经现场验证,该网关较好地完成了两种网络之间的协议转换和数据通信。     

Interconnection of CAN segments through IEEE 802.16 wireless MAN

The Controller Area Network (CAN) is a high-performance and highly reliable advanced serial communication protocol, which efficiently supports distributed real-time control. CAN-based distributed control systems have generally two main problems that are the size of distributed area and the need for communication with other LANs and with remote CAN segments. A straightforward solution is to use internetworking devices with wireless support to extend CAN segments. In this paper, a new solution to interconnect CAN segments is proposed, which uses a wireless MAN based on the IEEE 802.16 standard as a backbone system. Also, the solution describing a model for internetworking unit integrates the traffic generated by CAN segments into IEEE 802.16 wireless MAN using encapsulation technique.     

CAN总线在电动汽车上的应用研究

本文主要探讨了CAN总线在电动汽车上的应用。给出了电动汽车CAN通信网络的拓扑结构,并搭建了实验室模型进行研究。最后指出了CAN总线在电动汽车计算机控制系统中有着广泛的应用前景。     

单个CAN控制器的双总线冗余网络实现

提出了一种新的双CAN总线冗余网络拓扑,其每个CAN节点只需一个CAN控制器和模拟多路开关,当一条总线上出现短路或断路等故障致使通讯不能正常进行时,系统可自动切换到另一条无故障的总线上继续工作,使总线通讯的可靠性得到大大提高。另外,系统还可对总线上的节点进行周期性的查询,及时发现节点故障。对实验系统的测试结果表明,该系统动作可靠,方案可行,成本低廉,便于实现。