新型骨科机器人设计控制系统设计
本文从新型骨科机器人设计的控制系统设计出发，重点设计了骨科机器人的电控系统和相配套的硬件排布设计。首先，对整个功能运动结构进行了初步的设计和分析，建立了基础结构模型。其次，对相关电机的选择使用进行了研究分析，包括步进电机，直流电机和舵机，并对微控制器单片机进行了选择和对电机与单片机之间进行了通讯使用调试，其中重点研究了单片机，驱动模块和电机的调式使用。还对机器人核心控制的点位算法及单片机控制电机程序进行了探索和编写。本文最后对机器人实物调试中遇到的问题及上位机操作的方式进行了讨论分析。关键词 骨科机器人，控制系统，单片机，电机，点位算法目 录
1 绪论 1
1.1 骨科机器人概述 1
1.2 本课题的研究来源及意义 1
1.3 控制系统思路概述 1
2 电机及硬件分析 2
2.1 硬件分析设计 2
2.2 电机的分析 5
2.3 电机的选择 7
3 电控系统的分析及设计 10
3.1 控制器的选择 10
3.2 arduino单片机概述 11
3.3 arduino单片机与电机的通讯 12
3.4 总程序设计 17
3.5 点位算法的编写 24
3.6 全局电路分析 24
4 上位机及串口通讯 26
5 硬件实物装配与调试问题分析 27
5.1 装配问题分析 27
5.2 调试过程分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
1 绪论
1．1 骨科机器人概述
近年来，各个国家均对医疗技术领域投入了巨资进行研究，特别是骨科机器人研究。以美国为首的高医疗科技国家，在骨科机器人研究上取得了巨
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1 绪论
1．1 骨科机器人概述
近年来，各个国家均对医疗技术领域投入了巨资进行研究，特别是骨科机器人研究。以美国为首的高医疗科技国家，在骨科机器人研究上取得了巨大的进展，给骨科疾病手术提供了巨大的便利，给患者减轻了手术的不适和疼痛。2000年1月，美国医疗器械公司Intuitive Surgical开发了骨科机器人手术系统“Da Vinci Surgical System”。成为第一个现实意义上的医疗机器人[1]。
北京航天航空大学是国内最早开展医疗外科手术机器人研究工作的研究机构。哈尔滨工业大学在机器人辅助骨科医疗手术方面颇有成绩。此外，清华大学、华中科技大学、哈尔滨工程大学均在骨科医疗机器人领域取得了巨大的研究进展。清华大学和解放军总医院开创了国内自主开发外科手术机器人的先河，并相继开发一系列的神经外科手术机器人系统[2]。
骨科机器人技术是一个包含多学科的综合技术，近些年随着计算机技术，微电子技术，软件技术等相关领域的进步骨科机器人取得了较大的发展。同我国的航天技术一样，骨科机器人的发展水平很大程度上代表了一个国家的科学技术实力。
1．2 本课题的研究来源及意义
在骨科手术中，经常需对手术处进行打孔，传统的手动打孔方式既废人力，其打孔质量又经常受到许多条件限制而并不理想。必须对传统的手动方式进行电气自动化的改进，提高打孔质量，减轻患者的不适。故提出了骨科自动打孔机器人的概念。
该骨科机器人应能实现自动定位精确打孔，其工作方式和结构应尽可能简单、迅速、便捷、稳定、可靠。
1．3 控制系统思路概述
本设计硬件结构方面将采用齿轮组结构，以步进电机进行驱动 ，使其能够实现直线定点打孔和360度精确定位打孔，传动上采用螺杆螺母传动机构，并用 小型丝杠步进电机进行驱动，使得操作台和转头移动精准。在电控方面，将采用arduino2560控制板作为整个系统的智能核心，相应的电机驱动板采用了L298N电机驱动模块，同时采用?220转12伏的变压模块。
2 电机及硬件分析
2．1 硬件分析设计
2.1.1 功能结构分析
根据定位原理，本机器人结构在定位方面应具备2个基础方向的定位工作运动。在大的功能目的上是为了实现在腿骨及手骨上打孔，可将腿骨及手骨简化成一根中空管进行相应的机器人结构分析。
故需一直线运动来实现对骨管轴向的定位运动。
通常在骨科手术的打孔的位置往往是多角度的，所以必须对骨管进行圆周上的定位。
因此，基础定位上需要在轴向及周向上的定位运动机构。
第二点需考虑骨管的夹紧问题，在机械加工和制造上，定位和夹紧是一对相生相关的紧密要素，良好的工艺加工制造除了精准便捷迅速的定位外，还需要相应可靠稳定的定位。如果仅有定位而无可靠的夹紧保障，那么什么精度加工也是空谈。因此为了实现简单、迅速、便捷、稳定、可靠和精确的打孔必须采用相应的能够保证骨管充分夹紧的夹紧机构。
除了上述的定位和夹紧机构之外，打孔的核心部件打孔部件必不可少，精准、迅速、灵活的打孔部件是整个骨科自动打孔机器人的灵魂。
打孔部件主要涉及到2个重要的结构。第一个是在径向上的实现进给运动的机构和另一个在骨管上进行旋转切削工作的运动。
综上分析，整个功能结构需分3个方面：定位运动结构、夹紧机构、打孔工作部件。
整个基础的功能便能通过这相应的3个结构进行实现：首先进行轴向定位运动找到第一个定位方向，再通过周向运动机构实现周向定位，找到第二个定位方向。其次，通过夹紧机构对骨管进行相应的夹紧。最后通过径向运动机构及旋转 切除运动实现对骨管的打孔。整个骨科机器人如图1所示。
图1 骨科机器人整体图
2.1.2 基座设计
整个功能结构需通过一基座进行架构，整个基座应有良好的抗震性，刚度及强度，可以承受电机、运动传力机构的震颤及电控模块的发热温度影响。支撑运动件采用直线导轨，结构如图2所示。
图2 直线导轨
2.1.3 旋转机构设计
为了实现周向定位运动，需一机构能实现旋转运动。参照机械设计一书，齿轮副、凸轮、蜗杆蜗轮等机构都能实现旋转运动。但根据整个功能的稳定性和传动比方面的考虑，齿轮副结构
1 绪论 1
1.1 骨科机器人概述 1
1.2 本课题的研究来源及意义 1
1.3 控制系统思路概述 1
2 电机及硬件分析 2
2.1 硬件分析设计 2
2.2 电机的分析 5
2.3 电机的选择 7
3 电控系统的分析及设计 10
3.1 控制器的选择 10
3.2 arduino单片机概述 11
3.3 arduino单片机与电机的通讯 12
3.4 总程序设计 17
3.5 点位算法的编写 24
3.6 全局电路分析 24
4 上位机及串口通讯 26
5 硬件实物装配与调试问题分析 27
5.1 装配问题分析 27
5.2 调试过程分析 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
1 绪论
1．1 骨科机器人概述
近年来，各个国家均对医疗技术领域投入了巨资进行研究，特别是骨科机器人研究。以美国为首的高医疗科技国家，在骨科机器人研究上取得了巨
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1 绪论
1．1 骨科机器人概述
近年来，各个国家均对医疗技术领域投入了巨资进行研究，特别是骨科机器人研究。以美国为首的高医疗科技国家，在骨科机器人研究上取得了巨大的进展，给骨科疾病手术提供了巨大的便利，给患者减轻了手术的不适和疼痛。2000年1月，美国医疗器械公司Intuitive Surgical开发了骨科机器人手术系统“Da Vinci Surgical System”。成为第一个现实意义上的医疗机器人[1]。
北京航天航空大学是国内最早开展医疗外科手术机器人研究工作的研究机构。哈尔滨工业大学在机器人辅助骨科医疗手术方面颇有成绩。此外，清华大学、华中科技大学、哈尔滨工程大学均在骨科医疗机器人领域取得了巨大的研究进展。清华大学和解放军总医院开创了国内自主开发外科手术机器人的先河，并相继开发一系列的神经外科手术机器人系统[2]。
骨科机器人技术是一个包含多学科的综合技术，近些年随着计算机技术，微电子技术，软件技术等相关领域的进步骨科机器人取得了较大的发展。同我国的航天技术一样，骨科机器人的发展水平很大程度上代表了一个国家的科学技术实力。
1．2 本课题的研究来源及意义
在骨科手术中，经常需对手术处进行打孔，传统的手动打孔方式既废人力，其打孔质量又经常受到许多条件限制而并不理想。必须对传统的手动方式进行电气自动化的改进，提高打孔质量，减轻患者的不适。故提出了骨科自动打孔机器人的概念。
该骨科机器人应能实现自动定位精确打孔，其工作方式和结构应尽可能简单、迅速、便捷、稳定、可靠。
1．3 控制系统思路概述
本设计硬件结构方面将采用齿轮组结构，以步进电机进行驱动 ，使其能够实现直线定点打孔和360度精确定位打孔，传动上采用螺杆螺母传动机构，并用 小型丝杠步进电机进行驱动，使得操作台和转头移动精准。在电控方面，将采用arduino2560控制板作为整个系统的智能核心，相应的电机驱动板采用了L298N电机驱动模块，同时采用?220转12伏的变压模块。
2 电机及硬件分析
2．1 硬件分析设计
2.1.1 功能结构分析
根据定位原理，本机器人结构在定位方面应具备2个基础方向的定位工作运动。在大的功能目的上是为了实现在腿骨及手骨上打孔，可将腿骨及手骨简化成一根中空管进行相应的机器人结构分析。
故需一直线运动来实现对骨管轴向的定位运动。
通常在骨科手术的打孔的位置往往是多角度的，所以必须对骨管进行圆周上的定位。
因此，基础定位上需要在轴向及周向上的定位运动机构。
第二点需考虑骨管的夹紧问题，在机械加工和制造上，定位和夹紧是一对相生相关的紧密要素，良好的工艺加工制造除了精准便捷迅速的定位外，还需要相应可靠稳定的定位。如果仅有定位而无可靠的夹紧保障，那么什么精度加工也是空谈。因此为了实现简单、迅速、便捷、稳定、可靠和精确的打孔必须采用相应的能够保证骨管充分夹紧的夹紧机构。
除了上述的定位和夹紧机构之外，打孔的核心部件打孔部件必不可少，精准、迅速、灵活的打孔部件是整个骨科自动打孔机器人的灵魂。
打孔部件主要涉及到2个重要的结构。第一个是在径向上的实现进给运动的机构和另一个在骨管上进行旋转切削工作的运动。
综上分析，整个功能结构需分3个方面：定位运动结构、夹紧机构、打孔工作部件。
整个基础的功能便能通过这相应的3个结构进行实现：首先进行轴向定位运动找到第一个定位方向，再通过周向运动机构实现周向定位，找到第二个定位方向。其次，通过夹紧机构对骨管进行相应的夹紧。最后通过径向运动机构及旋转 切除运动实现对骨管的打孔。整个骨科机器人如图1所示。
图1 骨科机器人整体图
2.1.2 基座设计
整个功能结构需通过一基座进行架构，整个基座应有良好的抗震性，刚度及强度，可以承受电机、运动传力机构的震颤及电控模块的发热温度影响。支撑运动件采用直线导轨，结构如图2所示。
图2 直线导轨
2.1.3 旋转机构设计
为了实现周向定位运动，需一机构能实现旋转运动。参照机械设计一书，齿轮副、凸轮、蜗杆蜗轮等机构都能实现旋转运动。但根据整个功能的稳定性和传动比方面的考虑，齿轮副结构
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