基于PID与鲁棒自适应相结合的遥操作手术机器人控制算法研究

发布时间：2022-12-09 22:00

　　对主从遥操作手术机器人而言,主从轨迹跟踪的准确性、稳定性及力反馈的逼真度是三个最重要的性能指标。本文提出了一种基于PID与鲁棒自适应相结合的遥操作控制算法,能够将手术器械与组织的交互力完全反馈给医生,并实现稳定准确的主从轨迹跟踪控制。由于本文设计的遥操作手术系统中的主从机械臂异构,为了使医生在手术操作过程中具有较好的直观性,本文在笛卡尔空间对主从手术机械臂进行位置控制。在主端将主机械臂的末端位移通过网络传递到从端作为从端手术机械臂的轨迹命令信号,在从端进行机械臂的逆运动学求解,得到关节位移的命令信号,在PID与鲁棒自适应相结合的控制器作用下,实现稳定准确的主从轨迹跟踪。为了使医生能够逼真地感受到手术器械与组织的交互力,在从端采用6维力传感器测量手术器械与组织的交互力,并传递到主端,通过触觉机械臂作用在医生手上。针对机械臂的解析解存在多解的情况,本文提出三种选取逆解的方法,并选择性能最优的一种方法应用到实际中。针对利用拉格朗日原理推导出的动力学方程存在可读性低的问题,本文提出一种实用的化简算法以用于对动力学模型解析表达式的化简,实验验证该化简算法能有效的提高动力学模型的可读性和减少70%... 

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 遥操作手术机器人研究背景和意义
        1.1.1 遥操作手术机器人研究背景
        1.1.2 遥操作手术机器人研究意义
    1.2 课题来源
    1.3 遥操作手术机器人国内外研究现状
        1.3.1 遥操作手术机器人国外研究现状
        1.3.2 遥操作手术机器人国内研究现状
    1.4 遥操作手术控制算法国内外研究现状
    1.5 论文安排
第2章 主从机械臂的运动学和动力学建模
    2.1 运动学建模的意义和方法
    2.2 主端机械臂运动学建模
        2.2.1 POE法运动学建模步骤
        2.2.2 采用POE法的主端机械臂运动学建模
    2.3 从端机械臂的运动学建模
        2.3.1 D-H法运动学建模步骤
        2.3.2 采用D-H法的从端机械臂运动学建模
    2.4 从端机械臂逆运动学求解
        2.4.1 基于腕部位置求解
        2.4.2 基于腕部姿态求解
        2.4.3 逆解选取方法研究
    2.5 从端机械臂动力学建模
        2.5.1 拉格朗日法动力学建模步骤
        2.5.2 采用拉格朗日法的从端机械臂动力学建模
        2.5.3 六自由度动力学模型化简算法
    2.6 本章小结
第3章 主从机械臂工作区间和从端机械臂奇异点分析
    3.1 工作区间分析原理
    3.2 主端机械臂工作区间分析
    3.3 从端机械臂工作区间分析
    3.4 从端机械臂奇异点分析
    3.5 本章小结
第4章 手术机器人鲁棒自适应控制算法
    4.1 手术机器人鲁棒自适应控制算法设计
    4.2 基于鲁棒自适应控制的手术机器人稳定性分析
    4.3 轨迹跟随仿真实验及结果分析
    4.4 本章小结
第5章 遥操作手术机器人控制算法及实验
    5.1 遥操作手术机器人总体控制方案
    5.2 基于PID与鲁棒自适应相结合的遥操作手术机器人控制算法
    5.3 遥操作手术机器人系统稳定性分析
    5.4 遥操作手术机器人实验平台搭建
        5.4.1 实验硬件平台
        5.4.2 实验软件平台
    5.5 遥操作模拟穿刺手术实验及其结果分析
        5.5.1 人手信号滤波消抖实验
        5.5.2 无时延的遥操作模拟手术实验
        5.5.3 固定时延的遥操作模拟手术实验
        5.5.4 变化时延的遥操作模拟手术实验
    5.6 本章小结
第6章 全文总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]外科手术机器人的国内外发展概况及应用[J]. 王恩运,吴学谦,薛莉,张勇,王峰.  中国医疗设备. 2018(08)
[2]力觉临场感遥操作机器人（1）:技术发展与现状[J]. 宋爱国.  南京信息工程大学学报(自然科学版). 2013(01)
[3]腹腔微创手术机器人主从控制技术与实验[J]. 潘博,付宜利,冯美,王树国,徐殿国.  机器人. 2012(06)
[4]机器人“妙手A”立体视觉系统的设计与实现[J]. 陈祥军,周永良,赵晓鹏,张晓晖.  医疗卫生装备. 2012(04)
[5]辅助腹腔微创手术的新型机器人“妙手A”[J]. 王树新,王晓菲,张建勋,姜雪明,李建民.  机器人技术与应用. 2011(04)
[6]基于腹腔微创手术机器人的主从控制技术研究[J]. 谢琦,潘博,付宜利,王树国.  机器人. 2011(01)
[7]NOTES与单孔腹腔镜技术的发展现状与展望[J]. 郑民华.  中国微创外科杂志. 2010(01)
[8]微创手术机器人研究进展——“微创手术机器人及器械基础理论与关键技术”双清论坛综述[J]. 王国彪,彭芳瑜,王树新,朱晒红,王田苗.  中国科学基金. 2009(04)
[9]非线性机械系统PID控制渐近稳定性分析[J]. 苏玉鑫,郑春红,Peter C.Müller.  自动化学报. 2008(12)
[10]显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究[J]. 王树新,丁杰男,贠今天,李群智,韩保平.  机器人. 2006(02)

博士论文
[1]面向主从式微创外科手术机器人的遥操作运动控制策略研究[D]. 唐奥林.上海交通大学 2014

硕士论文
[1]基于模型的力反馈主手力位补偿研究[D]. 刘阳阳.天津工业大学 2017
[2]腹腔微创手术机器人机械系统设计[D]. 谭宏冰.上海交通大学 2014
[3]多自由度微创手术机械从手的设计与研究[D]. 赵志球.上海交通大学 2010
[4]显微外科手术机器人系统主操作手设计与研究[D]. 王辉.天津大学 2004



本文编号：3715449