机械臂式治疗床的避障轨迹规划及运动控制研究

摘要

目前临床应用研究表明，制约放射治疗效果的主要因素有患者摆位引导精度低和精确定位精度低，而机械臂式治疗床作为治疗过程中的患者支撑装置，其在工作空间内的无碰撞运动则是确保摆位引导精度和精确定位精度的首要前提。因此根据治疗室内的障碍物对机械臂式治疗床的运动干涉，如何保证机械臂式治疗床的末端执行器从初始位置到末端位置的无碰撞运动，成为了当前更高的挑战。 本课题以机械臂式治疗床无碰撞轨迹规划及运动控制为出发点，首先建立了机械臂式治疗床的运动学模型、碰撞干涉模型，在此基础上，分析了临床实践对机械臂式治疗床空间灵活度和实时性要求，提出了一种基于遗传算法的机械臂避障轨迹规划方法，并对机械臂式治疗床的轨迹跟踪控制展开了相关研究。详细内容如下： （1）根据机械臂式治疗床的机械结构特点，运用 D-H表示法推导出了治疗床的正运动学模型，在此基础上利用解析法求解出了治疗床的逆运动学解，并对机械臂式治疗床进行了轨迹规划研究。 （2）以治疗室内的障碍物对机械臂式治疗床的运动干涉为基础，建立碰撞干涉模型，假定机械臂在关节空间的理想轨迹由两段多项式曲线描述，通过调节两段多项式曲线的连接点，则可以使治疗床末端执行器的运动轨迹避开障碍物。然后建立关于中间点的参数方程，应用遗传算法进行求解，在此基础上建立机械臂末端轨迹长度、运行时间、关节最大扭矩的适应度评价函数，从而规划出了一条空间无碰撞、动力学特性良好、轨迹长度和运动时间较短的理想轨迹。 （3）针对治疗室内的障碍物对机械臂式治疗床的运动造成干涉，为了使机械臂式治疗床的末端执行器沿着预先给定的路径运动，设计了鲁棒控制器应用于机械臂式治疗床，仿真表明该系统能够以较小的稳态误差跟踪期望轨迹，确保了机械臂式治疗床末端执行器从初始位置到末端位置的无碰撞精确控制，能够使得各关节平稳运行。 （4）为了对机械臂式治疗床正运动学模型、逆运动学解以及轨迹规划有直观的观察和验证，以 MATLAB 中的 GUI工具箱为平台，搭建了机械臂式治疗床的图形用户仿真界面，该界面主要运用了 MATLAB 中的 Robotics Toolbox 工具箱进行上述理论的仿真验证。

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附表索引

第1章 绪论

1.1引言

1.2课题的研究背景及意义

1.3国内外的研究现状

1.4研究内容

1.5本章小结

第2章 机械臂式治疗床的建模

2.1机械臂式治疗床的简介

2.2运动学分析理论基础

2.3治疗床的运动学模型

2.4机械臂式治疗床的轨迹规划

2.5本章小结

第3章 机械臂式治疗床的无碰撞轨迹规划

3.1避障模型的建立

3.2水平避障模型的运动学分析

3.3水平避障模型的动力学分析

3.4轨迹规划设计

3.5基因优化过程

3.6仿真验证及结果分析

3.7本章小结

第4章 机械臂式治疗床的轨迹跟踪控制

4.1控制算法介绍

4.2鲁棒同步轨迹跟踪控制

4.3鲁棒同步轨迹跟踪控制的仿真

4.4本章小结

第5章机械臂式治疗床的图形用户界面的仿真

5.1GUI和Robotics工具箱的简介

5.2机械臂式治疗床仿真界面的开发

5.3本章小结

结论与展望

主要结论

研究展望

参考文献

致谢

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