核磁兼容气动针刺手术机器人控制系统设计

摘要

本文以核磁共振成像导航前列腺针刺手术机器人控制系统为研究对象，开发了机器人控制系统，并对机器人驱动气缸的位移伺服控制进行了研究。主要包括控制系统硬件选择与软件设计、气缸位移伺服系统数学模型建立及模糊滑模控制器的设计等方而内容。通过系统仿真对控制器稳定性进行了研究，并结合软组织针刺实验对控制系统及控制器性能进行了实验验证。主要工作及成果概括为以下几个方面：首先，针对核磁兼容性要求，总结了核磁兼容机器人控制系统的设计难点及方法，并确定了将控制器置于核磁室外的方案。对控制系统控制硬件进行选择，设计相应软件系统。对气动系统进行设计，完成了气动回路设计及气动元件的选择。最后根据确定方案搭建了具有较长气管及信号传输线的控制系统。其次，确定了PWM驱动开关阀控气缸位移伺服控制系统方案，采用平均化方法建立了包括气缸活塞系统、气缸腔内流体系统、开关阀及长气管的系统数学模型，并基于该模型设计了带有边界层厚度参数的模糊滑模控制器。最后，建立系统仿真模型，对控制器性能进行了仿真研究，得出了模糊滑模控制器对气管长度、负载等参数变化具有较强稳定性及模糊控制器具有较好的消振结果的结论。并通过气缸位移伺服控制实验和软组织针刺实验，对控制系统的性能进行了验证。本文研究成果具有较高的理论意义及应用价值，在核磁共振成像导航手术机器人控制系统设计及具有长气管的气缸位移伺服系统研究与应用中具有一定的探索意义，并为后期核磁环境中的系统实验打下了良好基础。