基于力观测器的微创机器人力检测与力反馈控制研究.pdf

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1、ＴＰ２４２．６１００５８孤翻苗祐麵婚威盞Ｉ疆纖。甲拜巧？’巧皆＊＇Ｌ一ｆ＇－于力观测器的微创机器人力检测论文题目：基Ｖ？：＼ｌＳｒｉ＾｜ｆ与力腸制研究梦譜茶諸工程领域：机械工程学习方式：巧全日撇读！□在职攻读＾作者姓名戸ｌ＿．．＿ｉｉｌｒ园＾孙辩＾：：剌唔肺：１１ｉＰＩ－。：－譽２０－韓－１１７０１１３ｒ：完成日期：ｐ＾：？－＾￣——■—，＇扣，－＊，雪ｆ—＇蕃，：＾＾－鼻－龜ｙ，溢Ｊ占—独创性声明本人声明所呈交的学位

2、论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研巧成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研巧成巧，也不包含方获得天津工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工化的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名；签字日期；＾年。沪。ｊ日７学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权丟津工业大学可Ｗ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进巧检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段

3、保存、汇编Ｗ供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名＾：：了＾＾￡导师签名惡、了签字曰期和口扣０佔签字曰期：月則日学位论文的主要创新点－、基于旋量理论和拉格朗日动力学建模方法，建立了从机器人动力学模型，避免了由于机构特点导致建模复杂性，通过分部分的建立了杆件的动能和势能，简化了建模过程。二，、在分析非线性干扰观测器基础上设计了从机器人外为观测。器，实现在无力／力矩传感器下的外力检测鉴于关节摩擦对外力观测精准度的影

4、响，建立了关节摩擦模型，并通过遗传算法对摩擦参数进行了辨识。通过在从机器人外为观测器中进行了摩擦补偿，实现精准的外力观测。兰、设计了微创机器人主从鲁棒滑模控制器，构建了主从力反馈系统，实现了对主从机器人的精准的位置控制和力反馈控制，使操作者具有真实的力临场感。通过仿真和实验研究，结果表明该控制系统具有较好主从位畳跟踪和力反馈性能。摘要微创外科机器人具有灵活性高、定位准确、运动平稳和手眼协调等诸多优点，然而，由于微创手术的特殊化使得现有微创机器人系统缺乏力检测和力反馈。针对上述问题，在分析现有力检测技术的

5、基础上，构建了外力观测器对从机器人与环境间的作用力进行观测，设计了主从鲁棒滑模控制器和主从力反馈结构，实／现了无力／力矩传感器力检测与力反馈捏制，为无为力矩传感器下的主从运动和力反馈控制奠定了研究基础。本论文的主要研究内容如下：，首先，基于旋量理论分析了主从微创机器人的运动学并结合拉格朗日动力学建模方法建立了主从化器人动力学模型。通过ＡＤＡＭＳ和ＭＡＴＬＡＢ联合仿真验证了从机器人动力学模型的正确性，并分析了主从机器人动力学方程中各项对总力矩的贡献，为主从微创机器人动力学模型的简化奠定基础。其次，在分析非线性干扰

6、观测器的基础上，提出了从机器人非线性外力观测器，用于实现从机器人与环境间相互作用力的观测，同时证明了外力观测器的稳定性。鉴于关节摩擦对观测精度的影响，确定了Ｓｔｒｉｂｅｄｃ模型为关节摩擦模型，采用遗传算法对摩擦参数进行了辨识，，在从机器人外力观测器中进行了摩擦补偿实现精准的外力观测。再次，实，设计了微创扔器人主从鲁棒滑模控制器，构建了主从为反馈系统现了对主从机器人的精准的位置控制和力反馈控制。通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了在有／无摩擦补偿的情况下力反馈控制系统的有效性和准确性，且具有良好的主从位置跟綜能力。

7、最后，构建了主从微创机器人实验平台，对外力观测器和主从运动和力反馈控制进行实验研究，，结果表明该控制系统具有较好的力反馈性能实现了无力／力矩传感器下的外力观测和力反馈控制。关键词；微创外科机器人；动力学建模；外为观测器；鲁棒滑模控制；力反馈；摩擦补偿ＡＢＳＴＲＡＣＴＭｉｎｉｍａｌｌｙｉｎｖａｓｉｖｅｓｕｒｇｉｃａｌｒｏｂｏｔｈａｓ化６ａｄｖａｎｔａｅｓｏｆｈｉｈｆｌｅｘ化ｉｌｉｔａｃｃｕｒａｔｅｇｇｙ，ｏｓｉｔｉｏｎｉｎｓｍｏｏｔｈｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｈａｎｄ－ｅｅｃｏｏｒｄｉｎａｔ

8、ｉｏｎａｎｄｍａｎｏ化ｅｒｐｇ，ｙ，ｙａｄｖａｎｔａｅｓｈｏｗｅｖｅｒｔｈｅｅｘｉｓｔｉ打ｍｉｎｉｍａｌｌｉ打ｖａｓｉｖｅｒｏｂｏｔｓｓｔｅｍｉ