遙微操作機(jī)器人系統(tǒng)分析、建模及滑模變結(jié)構(gòu)控制研究.pdf

1、江蘇科技大學(xué)碩士學(xué)位論文遙微操作機(jī)器人系統(tǒng)分析、建模及滑模變結(jié)構(gòu)控制研究姓名：王艷申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：曾慶軍20080101摘要I摘要遙操作機(jī)器人是指在人的操縱下能在人難以接近(距離遙遠(yuǎn)、對人有害或操作有難度)的環(huán)境中完成比較復(fù)雜的精細(xì)操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。遙微操作機(jī)器人(TeleMicromanipulationRobotTMR)是一種應(yīng)用于醫(yī)療（特別是微創(chuàng)醫(yī)療）、微生物工程和微機(jī)械等領(lǐng)域的特殊遙操

2、作機(jī)器人系統(tǒng)，它通過在符合人體工作尺度的宏觀世界操作機(jī)器人主手來控制在小尺度空間里的從手，利用所獲得的從手所處環(huán)境的以及從手與環(huán)境的交互的視覺、力覺等信息，借助人的技能去實(shí)現(xiàn)人不能或難以直接精確完成的精細(xì)操作等，例如生物醫(yī)學(xué)中的微操作，微機(jī)械的裝配等，同時(shí)還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。本文主要就是針對用于微創(chuàng)外科手術(shù)（MIS）中的遙微操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的MIS使病人受益，但使外科醫(yī)生操作困難且長時(shí)間緊張操作而身心疲憊，也使手術(shù)失誤

3、的風(fēng)險(xiǎn)加大。遙操作機(jī)器人具有人參與控制、多自由度、精確定位、臨場感、運(yùn)動大小縮放等特點(diǎn)，將遙操作機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)MIS技術(shù)結(jié)合，所開發(fā)的遙微操作機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)MIS技術(shù)的缺點(diǎn)，且能用作訓(xùn)練工具。首先，本文分析了國內(nèi)外面向微創(chuàng)手術(shù)的遙微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成及動力學(xué)模型，研究了基于二端口網(wǎng)絡(luò)模型的遙微操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和理想性能以及穩(wěn)定性與理想性能的折衷問題。其次，本文分析了遙微操

4、作機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境—人體軟組織的特性，針對軟組織插針過程中產(chǎn)生的形變問題，提出了一種基于有限元法的軟組織形變建模及插針形變仿真分析方法。利用有限元分析軟件ANSYS對軟組織形變進(jìn)行了仿真，并得到插針作用力與軟組織形變位移之間的關(guān)系曲線。然后，針對遙微操作機(jī)器人系統(tǒng)非線性軟組織環(huán)境和通信時(shí)延問題，設(shè)計(jì)了一種新型的滑模變結(jié)構(gòu)控制方案，并進(jìn)行了有時(shí)延和無時(shí)延仿真。最后，參與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制并開展基于真實(shí)動物軟組織的遙操作實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證基于新