微型多关节手术机器人是一种具有较高灵活性和运动精度的体内手术机器人,克服了腹腔镜微创手术中直杆型器械灵活度不高、工作空间不足的缺陷,有利于促进国内在体内手术机器人领域的研究与发展。目前国外已出现一些多关节手术机器人,如CardioARM、MINIR和i-Snake等,部分已经完成动物活体实验;国内的手术机器人大多为体外手术机器人,探入人体的部分为直杆型手术器械,灵活度不高,对于多关节手术机器人,多家大学和科研院所仍在进行研究工作,距离临床应用还有很长的路要走。本文针对单孔腹腔镜微创手术的应用,结合多关节手术机器人的发展现状,研究并开发了一款微型多关节手术机器人的控制系统。本文主要工作内容如下:(1)微型多关节手术机器人共有8个自由度,采用微型电机驱动,每个自由度均由一个微型电机控制,保证了手术机器人尺寸符合微创手术要求。在控制系统架构中,采用Phantom Omni作为控制主手,选择NI CompactRIO嵌入式测控系统将主手数据送达各个电机,实现手术机器人系统的主从控制。(2)在NI CompactRIO平台上用LabVIEW进行软件开发,采用FPGA开发模式,严格设置数据格式,保证了数据精度。对各个微型电机进行测速和PID控制,通过速度映射处理,避开了微型电机不理想的工作区间,使微型电机保持在连续匀速转动的状态,同时保证了较高的运动控制精度。(3)分别在关节-关节和位置-方向主从控制策略下实现了主从控制。在上位机软件的设计中,将主手数据采集到PC,并对主手数据进行滤波和初始化处理,滤除了操作者手部的抖动。处理后的数据发送到下位机并送给各电机,从而完成从主手到从手(手术机器人)的控制过程,同时保证了较高的主从跟随实时性。本文根据系统设计要求,对手术机器人控制系统进行了测试和验证。经过实验验证,机器人每个关节对设定转动角度的跟踪误差都在±0.01rad以内,对速度的跟踪误差都在±0.1rad/s以内,每个关节至少可灵活转动±30°,在主从控制过程中达到了较高的运动精度和灵活性,主从跟随也达到了较高的实时性。