力反馈型手术机器人操作臂建模及控制分析

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本文着眼于提高机器人微创外科手术中的临场感觉----力反馈功能,使微创手术机器人能更好的为医生服务,为病人造福。借助于微创手术机器人系统提供的力临场感觉,医生可以真实地感觉到机器人与患者病灶部位的相互作用,从而完成精密复杂的手术。微创手术机器人以其力反馈的实现机理不同,可分为具有力传感器的机器人和不具有力传感器的机器人。   本文针对以上两种不同的机器人,对微创手术机器人进行了建模、分析和控制。经过分析建模,本文得出了机器人主操作臂的笛卡尔空间和关节空间的映射关系,并对其进行实验验证,证明了理论模型的完备性。根据分析建模结果得出了机器人从操作臂末端的力在基坐标系下的表示。在安装了力传感器的机器人系统中,对从操作臂进行了力变换分析,应用了驻力控制策略使得在手术过程中微创手术机器人给医生带来了更好的操作性能,更精确、真实的临场力感觉;在未安装力传感器的机器人系统中,采取了基于轨迹跟踪的双边控制方法作为从操作臂末端与环境之间作用的力估计方法,并研究了基于这种算法下力反馈系统的稳定性、透明性、功效比和跟踪性等重要性能,并根据算法及性能结构规划了参数调整指标,最后得到了比较良好的实验结果。这种对提高力反馈型手术机器人操作性能的驻力策略和力估计算法的研究,将会为六自由度高精度力反馈型手术机器人完成更复杂的手术奠定理论基础。
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