基于力观测器的微创机器人力检测与力反馈控制研究

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性，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控制，为无力/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机器人动力学模型。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Stribeck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，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。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踪能力。
　　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。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外微创机器人发展现状

1．3 国内外微创机器人力检测及力反馈控制研究现状

1．3．1 传感器式力检测

1．3．2 无力传感器式力检测

1．4 论文主要工作内容

第二章 徽创机器人运动学和动力学

2．1 引言

2．2 旋量理论

2．3 主从机器人运动学

2．3．1 主机器人运动学

2．3．2 从机器人运动学分析

2．4 主从机器人动力学建模

2．4．1 主机器人动力学建模

2．4．2 从机器人动力学建模

2．5 主从机器人动力学仿真研究

2．5．1 从机器人动力学模型验证

2．5．2 主从机器人动力学分析

2．6 本章小结

第三章 从机器人外力观测器设计

3．1 引言

3．2 状态观测器设计方法

3．3 干扰观测器设计方法

3．4 从机器人外力观测器设计

3．5 从机器人关节摩擦建模和参数辨识

3．5．1 摩擦模型

3．5．2 摩擦参数辨识

3．6 本章小结

第四章 主从鲁棒滑模控制和力反馈实现

4．1 主从机器人鲁棒滑模控制器设计

4．1．1 滑模控制器一般设计方法

4．1．2 主机器人鲁棒滑模控制器设计

4．1．3 从机器人鲁棒滑模控制器设计

4．2 力反馈控制系统

4．3 力反馈控制仿真

4．4 本章小结

第五章 实验研究

5．1 引言

5．2 实验平台构建

5．2．1 主机器人

5．2．2 从机器人

5．2．3 硬件系统

5．2．4 软件系统

5．3 外力观测和力反馈控制实验

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

发表论文及参加科研情况

致谢