[发明专利]CT图像导航脊柱微创手术机器人运动控制系统

摘要

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。

主权项

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。