遥微操作机器人系统分析、建模及滑模变结构控制研究

《遥微操作机器人系统分析、建模及滑模变结构控制研究》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、摘要遥操作机器人是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统。遥微操作机器人(Tele-MicromanipulationRobot,TMR)是一种应用于医疗（特别是微创医疗）、微生物工程和微机械等领域的特殊遥操作机器人系统，它通过在符合人体工作尺度的宏观世界操作机器人主手来控制在小尺度空间里的从手，利用所获得的从手所处环境的以及从手与环境的交互的视觉、力觉等信息，借助人的技能去实现人不能或难以直接精确完成的精细操作等，例如生物医学中的微操作，微机械的装配等，同时还可以进

2、一步实现远程操作。本文主要就是针对用于微创外科手术（MIS）中的遥微操作机器人系统进行研究。传统的MIS使病人受益，但使外科医生操作困难且长时间紧张操作而身心疲惫，也使手术失误的风险加大。遥操作机器人具有人参与控制、多自由度、精确定位、临场感、运动大小缩放等特点，将遥操作机器人技术与传统MIS技术结合，所开发的遥微操作机器人微创外科手术系统可克服传统MIS技术的缺点，且能用作训练工具。首先，本文分析了国内外面向微创手术的遥微操作机器人系统的研究背景、发展现状及趋势，介绍了系统的构成及动力学模型，研究了基于二端口网络模型的遥微操作机器人系统的

3、稳定性和理想性能以及稳定性与理想性能的折衷问题。其次，本文分析了遥微操作机器人系统的作业环境—人体软组织的特性，针对软组织插针过程中产生的形变问题，提出了一种基于有限元法的软组织形变建模及插针形变仿真分析方法。利用有限元分析软件ANSYS对软组织形变进行了仿真，并得到插针作用力与软组织形变位移之间的关系曲线。然后，针对遥微操作机器人系统非线性软组织环境和通信时延问题，设计了一种新型的滑模变结构控制方案，并进行了有时延和无时延仿真。最后，参与实验系统的研制并开展基于真实动物软组织的遥操作实验研究，验证基于新型滑模变结构控制器的系统稳定性和控制

4、效果，完成主从机械手位置与力的跟踪实验。仿真与实验研究结果表明：本文所设计的遥微操作机器人系统滑模变结构控制方案，可以很好地满足系统对性能指标和稳定性的要求。对软组织形变的有限元建模仿真也为进一步的工作打下了良好的基础。本文的研究工作由国家自然科学基金资助（60575051）和江苏省高校自然科学基金项目资助（03KJB120005）。关键词：遥微操作机器人；二端口网络模型；有限元法；滑模变结构控制；仿真摘要摘要遥操作机器人是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统。遥微

5、操作机器人(Tele-MicromanipulationRobot,TMR)是一种应用于医疗（特别是微创医疗）、微生物工程和微机械等领域的特殊遥操作机器人系统，它通过在符合人体工作尺度的宏观世界操作机器人主手来控制在小尺度空间里的从手，利用所获得的从手所处环境的以及从手与环境的交互的视觉、力觉等信息，借助人的技能去实现人不能或难以直接精确完成的精细操作等，例如生物医学中的微操作，微机械的装配等，同时还可以进一步实现远程操作。本文主要就是针对用于微创外科手术（MIS）中的遥微操作机器人系统进行研究。传统的MIS使病人受益，但使外科医生操作困难

6、且长时间紧张操作而身心疲惫，也使手术失误的风险加大。遥操作机器人具有人参与控制、多自由度、精确定位、临场感、运动大小缩放等特点，将遥操作机器人技术与传统MIS技术结合，所开发的遥微操作机器人微创外科手术系统可克服传统MIS技术的缺点，且能用作训练工具。首先，本文分析了国内外面向微创手术的遥微操作机器人系统的研究背景、发展现状及趋势，介绍了系统的构成及动力学模型，研究了基于二端口网络模型的遥微操作机器人系统的稳定性和理想性能以及稳定性与理想性能的折衷问题。其次，本文分析了遥微操作机器人系统的作业环境—人体软组织的特性，针对软组织插针过程中产生

7、的形变问题，提出了一种基于有限元法的软组织形变建模及插针形变仿真分析方法。利用有限元分析软件ANSYS对软组织形变进行了仿真，并得到插针作用力与软组织形变位移之间的关系曲线。然后，针对遥微操作机器人系统非线性软组织环境和通信时延问题，设计了一种新型的滑模变结构控制方案，并进行了有时延和无时延仿真。最后，参与实验系统的研制并开展基于真实动物软组织的遥操作实验研究，验证基于新型滑模变结构控制器的系统稳定性和控制效果，完成主从机械手位置与力的跟踪实验。仿真与实验研究结果表明：本文所设计的遥微操作机器人系统滑模变结构控制方案，可以很好地满足系统对性

8、能指标和稳定性的要求。对软组织形变的有限元建模仿真也为进一步的工作打下了良好的基础。本文的研究工作由国家自然科学基金资助（60575051）和江苏省高校自然科学基金项目资助（03