核磁共振兼容氣動手術(shù)機器人建模與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、本文密切結(jié)合我國對高端醫(yī)療設(shè)備的需求,圍繞手術(shù)機器人系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù),以前列腺微創(chuàng)針刺手術(shù)為典型應(yīng)用對象,開發(fā)了5自由度核磁共振兼容氣動機器人系統(tǒng)樣機,并對該系統(tǒng)樣機進行了理論分析與實驗驗證。主要包括機器人機構(gòu)子系統(tǒng)建模、控制子系統(tǒng)建模、聯(lián)合仿真平臺搭建、系統(tǒng)運動精度驗證和系統(tǒng)兼容性驗證等方面內(nèi)容。其研究工作和相關(guān)成果總結(jié)如下:
　　首先,基于分層模塊化的設(shè)計思路,同時結(jié)合Scott-Russell機構(gòu)的特點,構(gòu)建了用于前列腺針

2、刺治療的核磁共振兼容手術(shù)機器人樣機。建立了手術(shù)機器人的機構(gòu)子系統(tǒng)模型:利用D-H法和矢量法分析了機器人運動學(xué),推導(dǎo)了機器人運動學(xué)正逆解;利用虛功原理進行了機器人動力學(xué)分析,描述了氣缸驅(qū)動力和關(guān)節(jié)位置、速度、加速度之間的映射關(guān)系。機構(gòu)子系統(tǒng)模型為實現(xiàn)機器人系統(tǒng)運動控制奠定了前提基礎(chǔ)。
　　其次,以氣壓驅(qū)動和超聲波電機驅(qū)動相結(jié)合的混合驅(qū)動方式搭建了機器人控制子系統(tǒng),建立了閥控氣缸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。對所建立的模型進行了線性化處理,并利用MA

3、TLAB系統(tǒng)辨識工具箱辨識了模型參數(shù),同時利用尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)驗證了所辨識控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,控制子系統(tǒng)模型為實現(xiàn)機器人系統(tǒng)運動控制提供了有力保障。
　　再次,針對上述建立的機構(gòu)子系統(tǒng)模型和控制子系統(tǒng)模型,以PID控制方案為基礎(chǔ),同時結(jié)合ADAMS和MATLAB軟件進行了手術(shù)機器人模型的聯(lián)合仿真,建立了基于虛擬樣機技術(shù)的聯(lián)合仿真平臺,驗證了所建立系統(tǒng)模型以及所設(shè)計控制器的有效性和正確性。
　　最后,在實驗研究方面,對氣動伺服