隨著世界性的人口老齡化加劇,各種輔助人類(lèi)進(jìn)行工作或照顧老年人的機(jī)器的需求量越來(lái)越大。這也對(duì)執(zhí)行器的人機(jī)交互性能提出了更高的要求。氣動(dòng)執(zhí)行器利用壓縮空氣作為動(dòng)力,具有清潔、低成本等特點(diǎn)。由于氣體具有可壓縮性,氣動(dòng)執(zhí)行器具有輸出特性“軟”的特點(diǎn),使其更易滿足“與人友好”的要求。然而,目前以位置控制主的氣動(dòng)系統(tǒng)控制方法仍不足以滿足上述要求。本文選定微創(chuàng)胸外科手術(shù)的持鏡輔助機(jī)器人作為目標(biāo)應(yīng)用背景,進(jìn)行氣動(dòng)執(zhí)行器柔順控制的研究。指出醫(yī)生在控制視野移動(dòng)時(shí),難以獲得腔鏡與人體間的接觸力,在二維圖像難以判斷距離和視野受限的情況下,容易發(fā)生腔鏡接觸并破壞人體組織的情況。為了提高持鏡輔助機(jī)器人的安全性,需要對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行柔順控制。本文首先針對(duì)氣動(dòng)柔順控制系統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)部分進(jìn)行建模。分析了比例流量閥控氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理,并利用力平衡方程、壓力微分方程和閥口流量方程建立了系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型。為了獲得模型的參數(shù),對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了氣缸摩擦力;測(cè)定了閥芯位移和流量特性,獲得了閥口流量方程的各項(xiàng)參數(shù);利用串聯(lián)節(jié)流口理論對(duì)有效節(jié)流面積進(jìn)行修正。之后根據(jù)手術(shù)要求設(shè)計(jì)了持鏡輔助機(jī)器人的遠(yuǎn)心機(jī)構(gòu),并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。負(fù)載特性是控制策略研究的重要組成部分,為了設(shè)置合理的控制參數(shù),本文分析了微創(chuàng)胸外科手術(shù)過(guò)程中腔鏡的工況,選定了胸腔壁作為研究對(duì)象,指出腔鏡移動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)平動(dòng)接觸胸腔內(nèi)壁、轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)肋骨產(chǎn)生過(guò)大杠桿力和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在視野盲區(qū)內(nèi)接觸胸腔內(nèi)壁幾種情況。選用羊排為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,測(cè)定了生物組織負(fù)載的力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)生物組織的力學(xué)特性具有明顯的非線性,并且具有應(yīng)力松弛的特性。本文對(duì)比了幾種粘彈性體模型的特點(diǎn),并最終確定了一種變剛度彈簧模型和Maxwell模型的并聯(lián)組合模型對(duì)肋間肌肉、肋骨等生物組織進(jìn)行了建模與仿真。為了實(shí)現(xiàn)胸腔鏡在自由空間內(nèi)跟隨輸入位移運(yùn)動(dòng),同時(shí)避免接觸生物組織時(shí)產(chǎn)生較大的接觸力,本文采用基于位置的阻抗控制作為基本控制思想。針對(duì)生物組織應(yīng)力松弛的特點(diǎn),對(duì)阻抗控制器做了相應(yīng)的改進(jìn),可以使腔鏡接觸生物組織后控制接觸力在較低水平并最終脫離接觸,執(zhí)行器平動(dòng)自由度的期望剛度可達(dá)0.01N/mm。同時(shí)也指出為了保證視野,轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上仍應(yīng)采用普通阻抗控器,期望剛度可達(dá)0.05N·m/deg。最后,設(shè)計(jì)并搭建了氣動(dòng)執(zhí)行器柔順控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用羊排進(jìn)行了柔順控制實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文的控制策略的控制效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH777;TP242
【部分圖文】：

置控制并不能很好地滿足要求[1]。機(jī)器人的工作場(chǎng)合或是工作；或是負(fù)載力未知，需要根據(jù)情況調(diào)整，如自動(dòng)裝配。合，如康復(fù)機(jī)器人[2]-[4]，為了避免對(duì)人的傷害，機(jī)器人的柔了解決上述問(wèn)題，需要研究相應(yīng)的柔順控制策略使機(jī)器人方式，柔順控制分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種形式。被動(dòng)柔順即利用實(shí)現(xiàn)柔順控制，如在機(jī)器人關(guān)節(jié)處加裝彈簧，或利用氣動(dòng)執(zhí)質(zhì)[5]。然而，被動(dòng)柔順不能根據(jù)具體任務(wù)自動(dòng)改變?nèi)犴樞砸杂檬艿较拗啤６鲃?dòng)柔順克服了上述缺點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣名的自動(dòng)化公司 Festo（費(fèi)斯托）研發(fā)的 Bionic Cobot 是一圖 1-2 所示，利用擺動(dòng)氣缸，結(jié)合柔順控制方法，機(jī)器人的臂一樣，針對(duì)性地根據(jù)具體的情況靈活地解決眾多任務(wù)。全互動(dòng)、及直觀的易用性等特性，使其在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都擁其在單調(diào)、重復(fù)性強(qiáng)以及危險(xiǎn)的工作中，BionicCobot 可作工工作。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文觸力[7]。HomayounSeraji 和 RichardColbaugh 提出了兩種基于阻抗控制的在線力蹤控制策略[8]。巴凱先等人對(duì)液壓?jiǎn)卧谖恢煤突诹Φ膬煞N阻抗控制機(jī)理進(jìn)了研究，分析了液壓位置控制系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)柔順性和期望動(dòng)態(tài)柔順性的關(guān)系出，基于位置內(nèi)環(huán)的阻抗控制系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)柔順性可以表示為系統(tǒng)本身動(dòng)態(tài)柔性和期望動(dòng)態(tài)柔順性串聯(lián)組成，而基于力內(nèi)環(huán)的阻抗控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)柔順性為二并聯(lián)組成[9]，如圖 1-5 所示。

用串聯(lián)彈簧驅(qū)動(dòng)器以吸收初始沖擊[19]。同時(shí)，目前的柔順控制多應(yīng)用在機(jī)器面、零件裝配等。而對(duì)于接觸人體，乃至合研究相對(duì)較少。1.4 手術(shù)輔助機(jī)器人的研究現(xiàn)狀微創(chuàng)手術(shù)是指利用腔鏡等醫(yī)療器械離不開(kāi)創(chuàng)傷產(chǎn)生和愈合的“雙刃劍”[20]。具有創(chuàng)口小，易恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)。腹部微創(chuàng)手腹，建立腹腔鏡和手術(shù)器械的操作空間。不需要充氣建立工作空間，而是在手術(shù)之而獲得工作空間。受小切口限制，醫(yī)生不視器觀察內(nèi)部情況，并利用特殊的手術(shù)器有繞插入點(diǎn)(遠(yuǎn)心點(diǎn))的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，由度，共四個(gè)自由度，如圖 1-9 b)所示。
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