气动执行器柔顺控制及其应用的研究

发布时间：2020-10-18 18:24

　　 随着世界性的人口老龄化加剧,各种辅助人类进行工作或照顾老年人的机器的需求量越来越大。这也对执行器的人机交互性能提出了更高的要求。气动执行器利用压缩空气作为动力,具有清洁、低成本等特点。由于气体具有可压缩性,气动执行器具有输出特性“软”的特点,使其更易满足“与人友好”的要求。然而,目前以位置控制主的气动系统控制方法仍不足以满足上述要求。本文选定微创胸外科手术的持镜辅助机器人作为目标应用背景,进行气动执行器柔顺控制的研究。指出医生在控制视野移动时,难以获得腔镜与人体间的接触力,在二维图像难以判断距离和视野受限的情况下,容易发生腔镜接触并破坏人体组织的情况。为了提高持镜辅助机器人的安全性,需要对执行器进行柔顺控制。本文首先针对气动柔顺控制系统的气动系统部分进行建模。分析了比例流量阀控气动系统的工作原理,并利用力平衡方程、压力微分方程和阀口流量方程建立了系统的非线性数学模型。为了获得模型的参数,对气动系统进行了实验研究。通过实验测定了气缸摩擦力;测定了阀芯位移和流量特性,获得了阀口流量方程的各项参数;利用串联节流口理论对有效节流面积进行修正。之后根据手术要求设计了持镜辅助机器人的远心机构,并进行了运动学及动力学分析。负载特性是控制策略研究的重要组成部分,为了设置合理的控制参数,本文分析了微创胸外科手术过程中腔镜的工况,选定了胸腔壁作为研究对象,指出腔镜移动过程中可能出现平动接触胸腔内壁、转动对肋骨产生过大杠杆力和转动时在视野盲区内接触胸腔内壁几种情况。选用羊排为实验对象,测定了生物组织负载的力学特性,发现生物组织的力学特性具有明显的非线性,并且具有应力松弛的特性。本文对比了几种粘弹性体模型的特点,并最终确定了一种变刚度弹簧模型和Maxwell模型的并联组合模型对肋间肌肉、肋骨等生物组织进行了建模与仿真。为了实现胸腔镜在自由空间内跟随输入位移运动,同时避免接触生物组织时产生较大的接触力,本文采用基于位置的阻抗控制作为基本控制思想。针对生物组织应力松弛的特点,对阻抗控制器做了相应的改进,可以使腔镜接触生物组织后控制接触力在较低水平并最终脱离接触,执行器平动自由度的期望刚度可达0.01N/mm。同时也指出为了保证视野,转动自由度上仍应采用普通阻抗控器,期望刚度可达0.05N·m/deg。最后,设计并搭建了气动执行器柔顺控制实验平台,利用羊排进行了柔顺控制实验,验证了本文的控制策略的控制效果。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH777;TP242
【部分图文】：

置控制并不能很好地满足要求[1]。机器人的工作场合或是工作；或是负载力未知，需要根据情况调整，如自动装配。合，如康复机器人[2]-[4]，为了避免对人的伤害，机器人的柔了解决上述问题，需要研究相应的柔顺控制策略使机器人方式，柔顺控制分为被动和主动两种形式。被动柔顺即利用实现柔顺控制，如在机器人关节处加装弹簧，或利用气动执质[5]。然而，被动柔顺不能根据具体任务自动改变柔顺性以用受到限制。而主动柔顺克服了上述缺点，已经得到了广名的自动化公司 Festo（费斯托）研发的 Bionic Cobot 是一图 1-2 所示，利用摆动气缸，结合柔顺控制方法，机器人的臂一样，针对性地根据具体的情况灵活地解决众多任务。全互动、及直观的易用性等特性，使其在多个行业领域都拥其在单调、重复性强以及危险的工作中，BionicCobot 可作工工作。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文触力[7]。HomayounSeraji 和 RichardColbaugh 提出了两种基于阻抗控制的在线力踪控制策略[8]。巴凯先等人对液压单元基于位置和基于力的两种阻抗控制机理进了研究，分析了液压位置控制系统本身的动态柔顺性和期望动态柔顺性的关系出，基于位置内环的阻抗控制系统实际动态柔顺性可以表示为系统本身动态柔性和期望动态柔顺性串联组成，而基于力内环的阻抗控制系统动态柔顺性为二并联组成[9]，如图 1-5 所示。

用串联弹簧驱动器以吸收初始冲击[19]。同时，目前的柔顺控制多应用在机器面、零件装配等。而对于接触人体，乃至合研究相对较少。1.4 手术辅助机器人的研究现状微创手术是指利用腔镜等医疗器械离不开创伤产生和愈合的“双刃剑”[20]。具有创口小，易恢复的优势。腹部微创手腹，建立腹腔镜和手术器械的操作空间。不需要充气建立工作空间，而是在手术之而获得工作空间。受小切口限制，医生不视器观察内部情况，并利用特殊的手术器有绕插入点(远心点)的两个转动自由度，由度，共四个自由度，如图 1-9 b)所示。
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本文编号：2846645