基于计算力矩的微创手术机器人控制

2012年03月22日11:03:43 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

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刁　燕，陈章平，罗　华，吴应东
四川大学制造科学与工程学院，四川成都

摘　　　要：针对微创手术机器人通常采用的独立ＰＤ控制或基于重力补偿的ＰＤ控制，都必须预先设定好相应的ＰＤ常数，不能随刀具所受有效外载荷而进行自适应调节，从而影响了机器人的定位精度的问题。提出了一种基于计算力矩的控制模型，在拉格朗日动力学模型基础上引进控制量使机器人系统线性化，并且将静力学分析结果作为反馈信号，完成外载荷作用下的轨迹精确控制。在Ｍａｔｌａｂ软件中建立机器人物理模型及控制模型，仿真比较了重力补偿ＰＤ控制与基于计算力矩控制所得刀具末端的位置偏差，证实了该模型具有良好的自适应能力。仿真结果也表明该方法的定位精度能够达到０４ｍｍ以上。

关　键　词：手术机器人；自适应控制；计算力矩

１　引　言
机器人控制主要指末端执行器位置和姿态的控制。根据末端执行器期望达到的位置是点或连续轨迹，机器人控制可分为定点控制和轨迹跟踪控制［１］。微创手术机器人要满足高精度要求，必须建立精确、自适应的控制模型。但机器人是一个复杂的多输入多输出非线性系统，具有时变、强耦合和非线性的动力学特征，因而增加了控制难度［２］。机器人常用控制模型有独立ＰＤ和基于重力补偿的ＰＤ控制，两种模型都是针对不考虑执行器与环境接触的自由运动机器人而言［３］；但均预先确定ＰＤ常数，不能进行实时调节，难以满足精度要求。为提高控制模型的自适应能力，基于神经网络的ＰＩＤ控制模型得以提出［５］。但该方法需要大量样本数据训练网络，增长开发周期。本文基于机器人动力学模型和静力学分析结果，设计出自适应的控制模型；该方法实时检测执行器与环境接触情况，计算出各关节驱动力并用以控制，实现精确轨迹跟踪。

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