摘要:遥微操作机器人是一种应用于医疗、微生物工程及微机械等领域的特殊遥操作机器人系统,文中主要针对面向微创外科手术系统的遥微操作机器人系统中,操作者及作业环境往往具有时变性而易导致系统不稳定且难以控制的问题,在已有的动力学模型的基础上,设计了一种新型的滑模变结构控制方案,在该方案中主机械手采用阻抗控制而从机械手采用滑模变结构控制策略。仿真实验结果表明了方案的有效性和鲁棒性,系统能较好地实现位置比例跟踪和力比例跟踪。
关键词:遥微操作机器人;滑模变结构控制;比例跟踪;仿真
遥操作机器人是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统。遥微操作机器人(Tele-Mi-cromanipulation Robot, TMR)是一种应用于医疗(特别是微创医疗)、微生物工程和微机械等领域的特殊遥操作机器人系统。
遥微操作机器人与一般遥操作机器人的关键不同之处在于它通过在符合人体工作尺度的宏观世界操作机器人主手来控制在小尺度或微观世界里的从手,利用所能获得的从手所处环境的以及从手与环境交互的视觉、力觉等信息,借助人的技能去实现人不能或难以直接精确完成的精细操作、微小操作等。目前国内外研究学者主要开展遥微操作机器人在微机械加工与装配、微生物工程及微外科医疗等领域的应用与研究,在系统稳定性分析及控制器设计等方面取得了较多研究成果。
操作者和作业环境是遥微操作机器人系统中的重要组成部分,但往往具有时变性而易导致系统不稳定且难以控制,本文设计了一种新的滑模变结构控制方案并进行仿真研究。仿真实验结果表明了该方案的有效性和鲁棒性,系统能较好地实现位置比例跟踪和力比例跟踪。
本文主要研究一类从机械手处于小尺度空间中的比例型遥操作机器人系统(例如应用于微创外科手术的遥微操作机器人系统),其从端并非微观世界,因此仍然是一类常规的主从式遥操作机器人。因此采用常规的主从式遥操作机器人系统机构,主要由操作者、主机械手、通信控制系统、从机械手和环境等五部分构成。
一方面,操作者通过操纵主机械手(以下简称主手)产生运动,其运动信息由通信控制环节送至从机械手(以下简称从手)的控制端,使其产生相同的运动,跟踪主机械手运动,即位置跟踪;另一方面,当从机械手与环境相互作用时,环境对从机械手的作用力反馈至主机械手处并作用与人手,使操作者人手感受到作用力,即力跟踪,从而使整个系统构成一个带力反馈的闭环系统。对于本文研究的实现比例跟踪的遥微操作机器人系统,其通信控制系统将按给定比例将主手传给从手的位置信号和从手返回到主手的力信号进行变换。
根据具有比例跟踪的遥微操作机器人系统的一般性能要求,参考国内外有关文献可以定义如下理想性能作为系统性能定量评价的指标。
滑模变结构控制是设计控制系统的一个普遍的方法,适用于低阶与高阶、线性与非线性、连续与离散、同步与时滞确定性与不确定性等各种控制系统。滑模变结构控制可以保证系统的全局稳定性,系统的滑动模态具有对系统摄动及外界干扰的不变性,即理想的、完全的鲁棒性。
利用此方法进行控制器设计要考虑到两个方面,即选取切换函数和求取控制,使其满足滑模变结构控制的三要素合理的切换函数的选取可以保证系统在运动过程中所确定的滑动模态渐进稳定且具有良好的动态品质;有效的控制的选择可以保证系统的运动正好是在切换面上的滑动模态运动。
本文针对从机械手应用于小尺度空间的遥微操作机器人系统,设计了一种新的滑模变结构控制方案,仿真实验结果表明在操作者和作业环境模型参数时变的情况下,系统工作稳定,比例跟踪误差较小,能较好地实现主从机械手之间位置和力的比例跟踪。本文中的主手采用的是阻抗控制策略,跟踪误差比预期的要大,要想达到较理想的跟踪要求,就需要再寻求新的控制策略来设计主手控制器;此外,本文是针对室内手术即时延的影响可以忽略不计的情况下对遥微操作机器人系统设计的控制器,对远程操作存在时延的情况下新型的滑模变结构控制器的设计还需要进一步的研究。
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