CN101803952A - Ct图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统 - Google Patents

Ct图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统 Download PDF

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CN101803952A CN201010118050A CN201010118050A CN101803952A CN 101803952 A CN101803952 A CN 101803952A CN 201010118050 A CN201010118050 A CN 201010118050A CN 201010118050 A CN201010118050 A CN 201010118050A CN 101803952 A CN101803952 A CN 101803952A
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张建勋
高杰
黄凯
廖干洲
宋银灏
张娜
刘曙光
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CT图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统。本发明是针对现有脊柱微创手术机器人的高精度手术定位，其中所述的微创手术机器人的主体结构(详见2008101531765号专利申请)为一个拥有三个平动自由度和两个旋转自由度，以及一个进针自由度的用于脊柱微创手术的机器人。运动控制系统主要由以下部分构成：1台用于控制、管理、规划的计算机(上位机)，1个运动控制器，5个相互独立的步进电机驱动器，以及一条连接以上所有部分，用于各部分之间通讯的CAN总线。该系统可根据手术进针路径，自动、快速、准确地将机器人末端手术工具对准病灶部位，从而辅助医师快速实施手术。该运动控制系统可将机器人末端手术工具的定位精度控制在1毫米以内。

Description

CT图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统
【技术领域】：本发明属于脊柱微创手术器械技术领域，特别涉及一种脊柱微创手术机器人的电路驱动控制系统。
【背景技术】：脊柱的微创手术治疗具有卧床时间短、治疗和护理费用低、止痛确切、节省术前和术后用药等优越性。不仅可以消除患者的痛苦、还可以减轻家庭和社会的经济负担。因此，开发和推广脊柱的微创治疗技术已经成为我国骨科治疗和研究领域中的一项重要而迫切的任务。
在欧洲和美国，骨质疏松椎体骨折的微创治疗(人工椎体成型术)，经椎弓根椎体肿瘤诊疗术，颈椎间盘微创切除等手术已经广泛开展。在我国上述技术只能在个别大城市的大医院开展。不能普及的原因有两点：一是脊柱的病变与重要生命器官相比邻，手术精度要求高；二是我国大多数医院缺乏高精度的C型臂透视机和手术导航设备。因此，高精度的手术定位技术成为限制脊柱微创手术在我国推广的瓶颈。
【发明内容】：本发明目的是解决脊柱微创手术机器人的高精度手术定位问题，提供一种CT图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统。
本发明提供的CT图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统是针对现有脊柱微创手术机器人的高精度手术定位，其中所述的微创手术机器人的主体结构(详见2008101531765号专利申请)为一个拥有三个平动自由度和两个旋转自由度，以及一个进针自由度的用于脊柱微创手术的机器人。具体包括：三条分别平行于X、Y、Z空间直角坐标轴的滚珠丝杠，以及可在相应丝杠上滑动的滑块，三条平行于丝杠放置的光栅尺，每条丝杠的一端设有一个步进电机，其转轴与丝杠相连；两个用于使手术工具进行旋转运动的步进电机以及与之相连的减速器和电位器；与末端手术工具相连的码盘；用于安装在CT机床导轨上的支架；所述的微创手术机器人运动控制系统包括：
上位机：主要用于CT图像的显示及处理；为医生提供规划手术、操作机器人的界面；机器人坐标系与图像坐标系之间映射计算；机器人运动学与逆运动学的计算，机器人路径规划；将最终计算得出的机器人位资转换为机器人各个关节的运动距离，并将此距离信息发送给运动控制器，运动控制器据此完成定位任务；
运动控制器：根据上位机或用户的需要，向五个相互独立的步进电机驱动器发送速度指令，步进电机驱动器以这一速度控制各步进电机旋转，同时，运动控制器还实时显示微创手术机器人的运行状况；
五个相互独立的步进电机驱动器：包括分别与运动控制器连接的X、Y、Z轴步进电机驱动器和两个旋转轴步进电机驱动器；根据运动控制器发出的速度指令控制各步进电机以相应的速度旋转，从而拖动微创手术机器人的三个平动自由度和两个旋转自由度各关节的运动，同时，还读取X、Y、Z轴分别对应的光栅尺、与两个旋转轴步进电机相连的电位器以及用于测量医生将穿刺针刺入患者体内的深度的码盘的位置信息，并将这些位置信息反馈给运动控制器；
穿刺针进针位置反馈结构：用于实时测量手术进行时，医生将穿刺针刺入患者体内的深度；所述的穿刺针进针位置反馈结构包括与穿刺针配合的码盘，该码盘与DSP2407连接，用于实时读取穿刺针进针深度信息，并通过CAN总线将所述信息反馈给运动控制器；
CAN总线：用于连接以上所有部分，并进行各部分之间的通讯。
所述的运动控制器包括：
FPGA(现场可编程门阵列)：作为运动控制器的核心处理器，其内部使用了先进的NIOSII软核处理器，同时自行设计了外围逻辑以提升系统整体性能，以达到控制器运算要求；
EPCS4：通过数据线与FPGA双向连接，用于存储FPGA的配置文件；
FLASH和SRAM：通过数据线与FPGA双向连接，为NIOSII系统提供程序存储空间和运行空间；
LCD接口电平转换电路：通过数据线与FPGA双向连接，实现FPGA的1O引脚3.3v电平与LCD模块5v电平之间的转换；
模数转换电路：通过数据线与FPGA双向连接，用于采样触摸屏的输出电压，并将结果送入FPGA；
CAN总线模块：通过数据线与FPGA双向连接，用于收发CAN数据帧；
摇杆控制模块：与工业摇杆连接，并通过USB接口连接上位机，用于将工业摇杆的数据发送给上位机；
液晶屏：通过数据线与LCD接口电平转换电路双向连接，用于实时显示脊柱微创手术机器人在手术过程中的运行状况；
触摸屏：与模数转换电路连接，用于对控制器相关参数的设定；
工业摇杆：直接操作手术机器人的末端位姿，主要用于手术前的机器人标定工作。
所述的步进电机驱动器包括：
DSP2407：作为步进电机驱动器的核心处理器，用于产生驱动电机的PWM波形，同时读取光栅尺反馈信息；
mos管驱动电路：与DSP连接，将DSP2407输出的5v的PWM波转换成12v以驱动H桥电路；
H桥电路：分别与mos管驱动电路和步进电机连接，直接为步进电机线圈提供电流；
电流反馈电路：连接在步进电机和DSP之间，检测步进电机线圈电流，反馈给DSP，以形成电流闭环控制；
步进电机位置检测装置：与DSP连接，用于检测步进电机的位置信息。X、Y、Z轴步进电机驱动器中所述的步进电机位置检测装置为分别与X、Y、Z轴对应的光栅尺。两个旋转轴步进电机驱动器中所述的步进电机位置检测装置为与旋转轴步进电机相连的电位器，该电位器经放大电路与DSP连接。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的是一种机器人辅助脊柱微创手术系统，使用一个拥有6自由度的手术机器人，辅助医生完成脊柱微创手术。该系统利用自身稳定抓握、无颤动和高精度定位的特点、自动为医生搭建一个稳固的操作平台。在操作人员的监控下，系统完成对机器人各运动自由度的精确微运动控制，操作人员在观察手术工具运动的同时，可以随时干预或改变手术工具的运动方式和运动路径，使医生能更好地利用自己的经验，高精度地操作手术器械，顺利实现预定的手术方案。
【附图说明】：
图1是CT图像导航脊柱微创手术机器人本体机构示意图；
图2是运动控制系统结构图；
图3是运动控制器电路结构框图；
图4是步进电机驱动器电路结构框图；图4-1是X、Y、Z轴步进电机驱动器，图4-2是旋转轴步进电机驱动器结构，图4-3是进针位置反馈结构；
图5至图10是FPGA部分电路原理图
图11是FLASH部分电路原理图
图12是SRAM部分电路原理图
图13是运动控制器电源部分电路原理图
图14是LCD接口电平转换电路原理图
图15至图17是SJA1000和ADS7846芯片部分电路原理图
图18是FPGA配置芯片和配置接口以及按钮部分电路原理图
图19是运动控制器指示灯电路原理图
图20至图21是DSP2407部分电路原理图
图22是SRAM部分电路原理图
图23是CPLD部分电路原理图
图24是DSP电源部分电路原理图
图25是CAN总线接口部分电路原理图
图26至图27是电机过流保护部分电路原理图
图28是H桥部分电路原理图
图29是mos管驱动部分电路原理图
图30是mos管与步进电机电源部分电路原理图
图31至图32是电机线圈电流反馈部分电路原理图。
【具体实施方式】：
实施例1：
一、脊柱微创手术机器人
如图1所示，本发明针对的是CT图像导航脊柱微创手术机器人，其主体结构为一个拥有三个平动自由度和两个旋转自由度，以及一个进针自由度的用于脊柱微创手术的机器人，其机构如图1所示(具体结构详见2008101531765号专利申请)。
该微创手术机器人主体由以下部分构成：三条分别平行于X、Y、Z空间直角坐标轴的滚珠丝杠，以及可在丝杠上滑动的滑块；三条平行于丝杠放置的光栅尺；每条丝杠的一端设有一个步进电机，其转轴与丝杠相连；两个用于使手术工具进行旋转运动的步进电机以及与之相连的减速器和电位器；与末端手术工具(穿刺针)相连的码盘；用于安装在CT机床导轨上的支架。
三条滚珠丝杠在与之相连的步进电机的带动下可以旋转，并使其上的滑块移动，进而带动末端手术工具在操作空间中沿X、Y、Z坐标方向上平动，与丝杠平行放置的光栅尺用于读取每个方向上的运动距离。两个用于控制旋转的步进电机及其减速器可以带动手术末端工具做旋转运动，两个电位器用于读取旋转的角度。与末端手术工具相连的码盘用于读取穿刺针插入的深度。支架用于将机器人本体固定于CT机床上，横跨于病人上方，以便进行手术。
二、微创手术机器人的运动控制系统
CT图像导航脊柱微创手术机器人的运动控制系统可以根据CT机获得的病人病灶部位图像，以及手术医师规划的手术进针路径，自动、快速、准确地将机器人末端手术工具对准病灶部位，从而辅助医师快速实施手术。该运动控制系统可将机器人末端手术工具的定位精度控制在1毫米以内。
该微创手术机器人运动控制系统主要由以下部分构成：5个相互独立的步进电机驱动器，1个运动控制器，1台用于控制、管理、规划的计算机(上位机)，以及一条连接以上所有部分，用于各部分之间通讯的CAN总线。
运动控制系统的结构如图2所示，包括：
上位机：
上位机的功能有：
1、CT图像的显示及处理。
2、为医生提供规划手术、操作机器人的界面。
3、机器人坐标系与图像坐标系之间映射计算。
4、机器人运动学与逆运动学的计算，机器人路径规划。
5、将最终计算得出的机器人位资转换为机器人各关节的运动距离，并将此距离信息发送给运动控制器，后者据此完成定位任务。
上位机使用了运算能力强大的酷睿2型CPU，并配有先进的图形处理卡以及用于CAN总线收发的CAN总线卡(PCI5110)。上位机安装了WindowsXP操作系统。
运动控制器：
该部分电路以FPGA为核心(如图3及图5至图10)，其内部使用了先进的NIOSII软核处理器，同时设计了大量外围逻辑，以提高系统的整体性能。
为实现控制器的各种功能，FPGA连接了：电平转换芯片(如图14)用于驱动液晶屏；ADS7846芯片(如图16)用于采样触摸屏输出；SJA1000芯片(如图17)用于连接CAN总线。
运动控制器根据上位机或用户的需要，向五个步进电机驱动器发送速度指令，后者以这一速度控制步进电机旋转，同时，控制器还实时显示出机器人的运行状况。
运动控制器由电路板，一块液晶屏，一块触摸屏和一个工业摇杆组成。电路板是运动控制器的主体，主要用于进行与运动控制相关的计算以及运动控制器其他部分的信号处理工作。液晶屏用于实时显示脊柱微创手术机器人在手术过程中的运行状况，触摸屏用于对控制器相关参数的设定，这两部分构成了运动控制器的人机界面。工业摇杆可直接用于操作手术机器人的末端位姿，它主要用于手术前的机器人标定工作。
五个相互独立的步进电机驱动器：
如图4所示，根据运动控制器发出的速度指令控制步进电机以该速度旋转，从而拖动机器人各个关节运动，同时，还读取光栅尺(X、Y、Z轴)、电位器(两旋转轴)、码盘(穿刺针)的位置信息，反馈给运动控制器。这里使用了步进电机细分驱动技术，减小了步进电机步距角，提高了步进电机的分辨率，进而提高了机器人的定位精度。
步进电机驱动器包括：
DSP2407：作为步进电机驱动器的核心处理器，用于产生驱动电机的PWM波形，同时读取光栅尺反馈信息；
mos管驱动电路：与DSP连接，将DSP2407输出的5v的PWM波转换成12v以驱动H桥电路；
H桥电路：分别与mos管驱动电路和步进电机连接，直接为步进电机线圈提供电流；
电流反馈电路：连接在步进电机和DSP之间，检测步进电机线圈电流，反馈给DSP，以形成电流闭环控制；
步进电机位置检测装置：与DSP连接，用于检测步进电机的位置信息。X、Y、Z轴步进电机驱动器中所述的步进电机位置检测装置为分别与X、Y、Z轴对应的光栅尺，如图4-1所示。两个旋转轴步进电机驱动器中所述的步进电机位置检测装置为与旋转轴步进电机相连的电位器，该电位器经放大电路与DSP连接，如图4-2所示。
穿刺针进针位置反馈结构：用于实时测量手术进行时，医生将穿刺针刺入患者体内的深度；所述的穿刺针进针位置反馈结构包括与穿刺针配合的码盘，该码盘与DSP2407连接，用于实时读取穿刺针进针深度信息，并通过CAN总线将所述信息反馈给运动控制器；如图4-3所示。
三、手术操作流程
1、病人麻醉后在身体上放置至少4个金属标定块，病人躺在CT机床上，被传送进入CT机并对病灶部位扫描；
2、扫描后病人被传送出CT机，将机器人放置在病人上方，将支架固定于CT机床导轨上；
3、使用遥杆控制机器人手术末端工具(穿刺针)依次指向每个金属标定块，并将此时的机器人各个关节运动距离传送给上位机，上位机根据此数据以及CT图像中金属标定块的坐标，计算出机器人坐标系与图像坐标系之间的映射关系；
4、手术医生在上位机提供的操作界面中确定病灶点并规划出手术实施方案；
5、在包括上位机在内的机器人运动控制系统的控制下，机器人将手术末端工具指向医生确定的进针部位，并将进针角度调整好；
6、在机器人定位的帮助下医生对病人实施穿刺手术。

Claims (6)

1.一种CT图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统，所述的微创手术机器人的主体结构为一个拥有三个平动自由度和两个旋转自由度，以及一个进针自由度的用于脊柱微创手术的机器人，具体包括：三条分别平行于X、Y、Z空间直角坐标轴的滚珠丝杠，以及可在相应丝杠上滑动的滑块，三条平行于丝杠放置的光栅尺，每条丝杠的一端设有一个步进电机，其转轴与丝杠相连；两个用于使手术工具进行旋转运动的步进电机以及与之相连的减速器和电位器；与末端手术工具相连的码盘；用于安装在CT机床导轨上的支架；其特征在于所述的微创手术机器人运动控制系统包括：
上位机：主要用于CT图像的显示及处理；为医生提供规划手术、操作机器人的界面；机器人坐标系与图像坐标系之间映射计算；机器人运动学与逆运动学的计算，机器人路径规划；将最终计算得出的机器人位资转换为机器人各个关节的运动距离，并将此距离信息发送给运动控制器，运动控制器据此完成定位任务；
运动控制器：根据上位机或用户的需要，向五个相互独立的步进电机驱动器发送速度指令，步进电机驱动器以这一速度控制各步进电机旋转，同时，运动控制器还实时显示微创手术机器人的运行状况；
五个相互独立的步进电机驱动器：包括分别与运动控制器连接的X、Y、Z轴步进电机驱动器和两个旋转轴步进电机驱动器；根据运动控制器发出的速度指令控制各步进电机以相应的速度旋转，从而拖动微创手术机器人的三个平动自由度和两个旋转自由度各关节的运动，同时，还读取X、Y、Z轴分别对应的光栅尺、与两个旋转轴步进电机相连的电位器以及用于测量医生将穿刺针刺入患者体内的深度的码盘的位置信息，并将这些位置信息反馈给运动控制器；
穿刺针进针位置反馈结构：用于实时测量手术进行时，医生将穿刺针刺入患者体内的深度；
CAN总线：用于连接以上所有部分，并进行各部分之间的通讯。
2.根据权利要求1所述的运动控制系统，其特征在于所述的运动控制器包括：
现场可编程门阵列FPGA：作为运动控制器的核心处理器，其内部使用了先进的NIOSII软核处理器，同时自行设计了外围逻辑以提升系统整体性能，以达到控制器运算要求；
EPCS4：通过数据线与FPGA双向连接，用于存储FPGA的配置文件；
FLASH和SRAM：通过数据线与FPGA双向连接，为NIOSII系统提供程序存储空间和运行空间；
LCD接口电平转换电路：通过数据线与FPGA双向连接，实现FPGA的IO引脚3.3v电平与LCD模块5v电平之间的转换；
模数转换电路：通过数据线与FPGA双向连接，用于采样触摸屏的输出电压，并将结果送入FPGA；
CAN总线模块：通过数据线与FPGA双向连接，用于收发CAN数据帧；
摇杆控制模块：与工业摇杆连接，并通过USB接口连接上位机，用于将工业摇杆的数据发送给上位机；
液晶屏：通过数据线与LCD接口电平转换电路双向连接，用于实时显示脊柱微创手术机器人在手术过程中的运行状况；
触摸屏：与模数转换电路连接，用于对控制器相关参数的设定；
工业摇杆：直接操作手术机器人的末端位姿，主要用于手术前的机器人标定工作。
3.根据权利要求1所述的运动控制系统，其特征在于所述的步进电机驱动器包括：
DSP2407：作为步进电机驱动器的核心处理器，用于产生驱动电机的PWM波形，同时读取光栅尺反馈信息；
mos管驱动电路：与DSP连接，将DSP2407输出的5v的PWM波转换成12v以驱动H桥电路；
H桥电路：分别与mos管驱动电路和步进电机连接，直接为步进电机线圈提供电流；
电流反馈电路：连接在步进电机和DSP之间，检测步进电机线圈电流，反馈给DSP，以形成电流闭环控制；
步进电机位置检测装置：与DSP连接，用于检测步进电机的位置信息。
4.根据权利要求3所述的运动控制系统，其特征在于，X、Y、Z轴步进电机驱动器中所述的步进电机位置检测装置为分别与X、Y、Z轴对应的光栅尺。
5.根据权利要求3所述的运动控制系统，其特征在于，两个旋转轴步进电机驱动器中所述的步进电机位置检测装置为与旋转轴步进电机相连的电位器，该电位器经放大电路与DSP连接。
6.根据权利要求1所述的运动控制系统，其特征在于所述的穿刺针进针位置反馈结构包括与穿刺针配合的码盘，该码盘与DSP2407连接，用于实时读取穿刺针进针深度信息，并通过CAN总线将所述信息反馈给运动控制器。
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