遙微操作機器人系統(tǒng)建模、分析及預測控制研究.pdf

1、遙微操作機器人是用來實現或提高人在那些不符合人體尺度的小尺度或微觀世界中完成精細作業(yè)任務的一類主從式遙操作機器人。它拓展了人類的作業(yè)空間，在醫(yī)療、微生物、微機械等領域都有著廣泛的應用前景。無論從實際應用前景還是理論研究意義來看，這方面的研究都具有巨大的研究價值。本文是結合國家自然基金項目——“遙微操作機器人力覺臨場感的理論和方法研究”展開研究的。 本文首先介紹了遙微操作機器人系統(tǒng)的構成及工作原理，進而對具有代表性的單自由度遙微操

2、作機器人系統(tǒng)進行了動力學建模，然后從分析系統(tǒng)的動力學方程入手，根據二端口網絡理論，分析系統(tǒng)處于約束運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性。 其次，根據軟組織環(huán)境的動力學特性，建立了一種非線性軟組織環(huán)境動力學模型，進行局域網內遙操作插針實驗，測試動物軟組織在實驗條件下的受力曲線，通過基于遞推最小二乘法的辨識算法，辨識環(huán)境模型的參數。 接著，針對遙微操作系統(tǒng)主從端之間存在的時延和非線性軟組織環(huán)境對系統(tǒng)性能的影響，在研究Smith預估控制算法的基

3、礎上，設計了一種新穎的廣義預測自適應控制器。仿真結果表明，在時延和非線性軟組織環(huán)境條件下，廣義預測控制器能更好的實現主、從端之間位置和力的跟蹤。 最后，參與研制了一套單自由度遙微操作機器人系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上實現了局域網環(huán)境下基于軟組織環(huán)境的單自由度遙操作機器人系統(tǒng)位置和力的比例跟蹤控制。 實驗結果表明：針對面向微創(chuàng)手術的遙微操作機器人系統(tǒng)，本文建立的非線性軟組織動力學模型比較準確，能夠反應插針過程中力的變化過程，可以應用于