遥微操作机器人系统建模、分析及预测控制研究

《遥微操作机器人系统建模、分析及预测控制研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要遥微操作机器人是用来实现或提高人在那些不符合人体尺度的小尺度或微观世界中完成精细作业任务的一类主从式遥操作机器人。它拓展了人类的作业空间，在医疗、微生物、微机械等领域都有着广泛的应用前景。无论从实际应用前景还是理论研究意义来看，这方面的研究都具有巨大的研究价值。本文是结合国家自然基金项目——“遥微操作机器人力觉临场感的理论和方法研究”展开研究的。本文首先介绍了遥微操作机器人系统的构成及工作原理，进而对具有代表性的单自由度遥微操作机器人系统进行了动力学建模，然后从分析系统的动力学方程入手，根据二端口网络理论，分析系统处于约束运动状态下的稳

2、定性。其次，根据软组织环境的动力学特性，建立了一种非线性软组织环境动力学模型，进行局域网内遥操作插针实验，测试动物软组织在实验条件下的受力曲线，通过基于递推最小二乘法的辨识算法，辨识环境模型的参数。接着，针对遥微操作系统主从端之间存在的时延和非线性软组织环境对系统性能的影响，在研究Smith预估控制算法的基础上，设计了一种新颖的广义预测自适应控制器。仿真结果表明，在时延和非线性软组织环境条件下，广义预测控制器能更好的实现主、从端之间位置和力的跟踪。最后，参与研制了一套单自由度遥微操作机器人系统，在该系统上实现了局域网环境下基于软组织环境的单自由

3、度遥操作机器人系统位置和力的比例跟踪控制。实验结果表明：针对面向微创手术的遥微操作机器人系统，本文建立的非线性软组织动力学模型比较准确，能够反应插针过程中力的变化过程，可以应用于虚拟手术仿真和控制策略的仿真研究；本文研究的Smith预估控制算法在固定时延的条件下具有较好的控制效果；文中针对遥微操作机器人系统设计的广义预测自适应控制算法在随机时延和非线性软组织环境条件下具有较好的控制效果和鲁棒性。实验系统给遥微操作机器人研究提供了真实的操作环境，为进一步研究打下了良好的基础。关键词：遥微操作机器人，软组织，比例跟踪，Smith预估控制，广义预测控

4、制本课题得到国家自然科学基金(60575051)资助。IAbstractAbstractTele-micromanipulationrobotsystemisakindofmaster-slavetele-manipulationrobotthatisinapplicationofundertakingorimprovingthefinetasksinthesmall-scaleenvironm--entwhichisnotsuitableforhumanorinthemicroscopicworld.Itexpendstheworkingar

5、eaofhumanbeings.Ithasextensiveprospectsofapplicationintheareaofmedicalcare,microbiologics,micro-mechanicsandetc.Thispaperisbasedonproject:ResearchonTheoryandMenthodofTele-micromanipulationrobotsystemwithForceTelepresent,whichissurpportedbyNationalScienceFoundationofChina.Fir

6、stly,studiesonthestructureandworkprincipleoftele-micromanipulationsystemareintroduced.Thedynamicmodelofa1-DOFmaster/slavetele-manipulationsystemisbuiltup.Thenitadoptstwo-portnetworktheorytoanalyzesystem’sstabilityatconstrainedmovementbasedondynamicsequationoftele-micromanipu

7、lationsystem.Secondly,basedonthedynamicofthesofttissue,akindofnonlinearsofttissueenvironmentalhapticmodelwasbuiltup.Thisstudywasundertakinganexperimentoftele-manipulationpuncturewithinthelocalareanetworkandtestingthecurveofstressofanimalsofttissueundertheenvironmentofinserti

8、onexperiment.Accordingtotheidentificationarithmeticwhichisbasedonrecurrentl