主從式微創(chuàng)手術機器人控制系統(tǒng)設計

(天津工業(yè)大學機械工程學院 天津 300387)

一、引言

微創(chuàng)手術機器人具有創(chuàng)傷小、流血少、恢復快等優(yōu)點[1]。微創(chuàng)手術機器人控制系統(tǒng)在微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)中具有至關重要的作用。目前國外的da Vinci微創(chuàng)手術機器人代表了世界上的最先進水平，但是da Vinci微創(chuàng)手術機器人價格昂貴。在國內(nèi)，具有代表性的是天津大學的“妙手”微創(chuàng)手術機器人[1]。在控制方法方面，傳統(tǒng)PID在軌跡跟蹤問題中傳統(tǒng)PID收斂速度較慢，難以達到滿意的效果。[2]本文提出基于迭代控制的微創(chuàng)手術機器人主從跟蹤系統(tǒng)，迭代控制快速的使被控對象達到期望的目標軌跡[3]。

二、微創(chuàng)手術機器人控制系統(tǒng)平臺

微創(chuàng)手術機器人控制器是基于工業(yè)計算機和FPGA控制器的控制系統(tǒng)，微創(chuàng)機器人系統(tǒng)包含兩個主操作臂、兩個從操作臂和一個圖像臂。FPGA控制器主要是對各個操作臂電機信息采集和運動控制。每個電機都有配套的編碼器和電位器，用來采集電機的速度和位置信息采集。工業(yè)計算機將主操作臂各關節(jié)運動信息計算后通過逆運動學計算出從操作臂各個關節(jié)的位置和速度信息。

三、運力學模型建立

主操作臂采用Phantom Desktop，從操作臂為自行設計的基于雙平行四邊形原理設計的遠程運動中心機構和三自由度手術器械。

用D-H法建立主從操作臂的運動學模型的坐標系。給出坐標系和D-H參數(shù)，圖1給出了主從操作臂D-H的坐標系。表1和表2分別給出了主、從操作臂各連桿的D-H參數(shù)。

圖1 主從操作臂D-H坐標系

Frameαi-1ai-1θidi10-l1θ1l22π/20θ2030l1-π/2-θ2+θ30tool-π/2l2π/20

表2 從操作臂的D-H參數(shù)

四、迭代控制律設計

迭代控制是通過迭代方法達到控制目標改善，能實現(xiàn)對未知對象的實際運行軌跡的高精度跟蹤期望軌跡，在迭代控制中加入魯棒性，實現(xiàn)了軌跡跟蹤的穩(wěn)定性和提高了軌跡跟蹤的學習速度。

迭代控制的基本原則是：通過已知的期望輸出θ(t)和初始位置的狀態(tài)，在一定的時間內(nèi)，按照一定的迭代控制學習律，達到系統(tǒng)的實際輸出等于期望輸入和實際輸出等于期望輸出。魯棒迭代控制律的結構如圖2所示。

圖2 魯棒迭代控制結構

閉環(huán)迭代學習控制律是第k+1次的輸出等于第k次的控制輸出和第k+1次的輸出誤差的校正項的和，即：

θk+1(t)=θk(t)+L(ek+1(t),t)

(3)

其中，ek+1(t)=θd(t)-θk(t)，L為給定映射。

針對從操作臂運動學模型，本文設計的迭代學習控制律是：

(4)

五、仿真與實驗驗證

為驗證所設計的微創(chuàng)手術機器人的主從運動控制魯棒迭代控制算法的可行性、可靠性進行了主從運動軌跡跟蹤實驗。主從操作臂采用1:1比例控制，主從操作臂初始位置均為零位。主操作臂在空間內(nèi)走一段空間隨機曲線，圖3中給出了空間曲線下的主從軌跡跟蹤。圖4給出了軌跡下的主從軌跡跟蹤誤差。

圖3 主從軌跡跟蹤

圖4 主從軌跡跟蹤誤差

實驗過程中，從操作臂可以平穩(wěn)準確地跟隨主操作臂，各個關節(jié)運行平穩(wěn)。由圖3和圖4可以看出，運用迭代算法設置主從跟蹤最大誤差較小，微創(chuàng)手術的機器人從操作臂可以精確跟隨主操作臂運動，主從通訊頻率達到要求。實驗表明該控制系統(tǒng)滿足微創(chuàng)手術機器人的可擴展性、實時性和可靠性要求。

【參考文獻】

[1]曲效鋒.微創(chuàng)手術機器人實時系統(tǒng)構建與主從控制策略[D].哈爾濱工業(yè)大學,2016.

[2]王晨光.機械手系統(tǒng)軌跡跟蹤混合控制算法的研究[D].天津理工大學,2013.

[3]王振玉,楊斌.基于迭代學習控制律的五自由度機械臂研制[J].機械與電子,2016,34(03):72-74+80.[2017-10-13].