微创手术机器人系统通讯控制器的设计与实现

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微创手术机器人能够有效解决传统手术中出血多、术后恢复慢等问题。微创手术机器人能否实现手术功能主要取决于控制系统的稳定性。其中,通讯控制器不但要管理整个微创手术机器人系统的各组成模块,而且要协调各模块完成相应功能,起到了“承上(上位机)启下(运动控制器)”的核心作用。  本文以微创手术机器人系统中的通讯控制器为研究对象,结合整个通讯控制系统,完成了以下主要工作:  1、通讯控制器的需求分析与方案设计。本文根据通讯控制器“承上启下”的特点,结合需求分析,阐述了通讯控制器的软硬件实现方案。硬件方面包括芯片选型、DSP+FPGA架构、CAN总线、USB接口与以太网通讯模块的实现方案;软件方面则给出了通讯控制器程序的功能模块与架构分析,详细阐述了不同任务线程的运行流程。  2、人机交互系统的设计与实现。位于上位机的人机交互系统是微创手术机器人系统中的重要一环,它与通讯控制器一同起到了“统筹全局”的作用,共同合作来完成对整个微创手术机器人系统的监测与调控。本文首先讲述了通讯控制器与上位机的USB接口通讯方案,随后阐述人机交互系统的设计方案与具体的程序实现,并给出了人机交互系统的测试情况。  3、通讯控制器嵌入式以太网络的设计与实现。本文重点阐述了通讯控制器接入以太网的软硬件实现方案,并给出通讯控制器接入以太网的性能测试结果,验证了微创手术机器人系统以太网络接入的成功实现。  4、通讯控制器与嵌入式实时操作系统DSP/BIOS的结合与实现。本文给出了微创手术机器人系统各控制器在DSP/BIOS实时操作系统环境下运行的实现步骤,优化了通讯网络及代码结构,并设计了相应的主从手臂跟随控制实验,通过系统性能测试结果证明了:基于DSP/BIOS实时操作系统的微创手术机器人通讯控制系统比前期裸机运行程序时的状态更稳定,并且主从控制周期从2ms缩减到了320μs,控制频率突破3000Hz。
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