毕业设计（论文）开题报告无框架立体定向神经外科手术机器人伺服电机控制系统设计.doc

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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：0101140113专 业：机械设计制造及自动化设计(论文)题目：无框架立体定向神经外科手术机器人伺服电机控制系统设计指 导 教 师: 2005 年 3 月 15日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告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。

2、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，

3、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

4、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，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

5、用放射性光束杀死脑中的癌细胞还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

6、都已经有了不俗的表现。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

7、中。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

8、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，

9、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 neurosurgeryFIT 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.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

10、. 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, France Sept 6/Sept 13, 2003） Rhodes ML. Computer g

11、raphics 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 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

12、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，： 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：脑外科机器人控制系统设计的目标是：末端绝对定位误差小于1mm；机器人各关节电机能够联动，按照规划轨迹运动；控制系统软件和手术规划软件接口良好，能够自动提取医生手术规划的穿刺点和穿刺路径等信息，然后自动完成定位规划和轨迹规划；实现多种人机交互手段，如键盘、鼠标、

13、操纵杆等；实现网络操作，为完成异地和远程手术提供平台。 从以上角度出发，为了确定控制系统的结构,分析比较了单片机系统、PLC系统、上位机加运动控制器等控制方案。 单片机系统价格低廉，但处理速度较慢、位数少，难以实现复杂的控制算法，难以实现多轴联动，可靠性不强，且网络通讯能力差；PLC系统多轴联动的处理能力较弱，难以实现多轴的轨迹插补，高性能的PLC系统价格昂贵，选型非常困难。上述两种方案不能满足本系统的要求。上位机加运动控制器的控制策略，其主要优点是：由运动控制器完成伺服运算、轨迹插补、I/O控制等功能；上位机转而进行其他的处理，如手术图像处理、手术路径规划、机器人运动正反解等操作。两者之间采

14、用并行总线连接，处理速度快，能够实现复杂的算法，能够实现多轴联动和轨迹插补，且网络通讯功能较强，可靠性高。我们最终选用上位机加运动控制器的控制结构。位置调节器速度、电流控制+伺服控制结构框图 1 伺服电机的选择我们准备选择交流伺服电动机为伺服电机，交流伺服电动机是无刷电动机，不需要电刷和换向片的保养和定期清扫；电刷和换向片还限制了直流伺服电动机的转速和功率的提高，而交流伺服电动机的转速和功率不受这种限制，有较宽的调速范围和功率范围。由于交流伺服电动机的转子无绕组，转动惯量小，故快速性好。2 控制结构选择我们采用电流环，速度环，位置环的三个环组成的多闭环控制系统，电流环为最内环，位置环为最外环。

15、内环采用转速、电流双闭环控制。既保证了系统的位置精度，又满足了系统快速性，灵敏性的要求。3 反馈信号检测装置选择为了保证系统较高的位置精度要求，位置环的反馈信息必须正确和及时，在本系统中由于手术机器人对速度要求不高，对定位精度有很高的要求，所以我们选择光电编码器做为位置检测装置。 在得出计算参数后，利用数值计算软件MATLAB对系统进行仿真分析和参数优化，寻找设计中的缺陷与不足，并加以改进，以求达到令人满意的结果。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：在大量阅读国内外文献基础上，文献综述较好地描述了国内外现状，对课题任务、问题叙述合适。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 主要承担TENS发生器的研制工作。其内容工作量合适，但本科阶段在这方面所涉及的知识较少，需自学伺服电机控制，特别是交流伺服内容。由于选择现有产品为主，设计难度合适。可以按时完成。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日