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遥微操作机器人是用来实现或提高人在那些不符合人体尺度的小尺度或微观世界中完成精细作业任务的一类主从式遥操作机器人。它拓展了人类的作业空间,在医疗、微生物、微机械等领域都有着广泛的应用前景。无论从实际应用前景还是理论研究意义来看,这方面的研究都具有巨大的研究价值。本文是结合国家自然科学基金项目——“遥微操作机器人力觉临场感的理论和方法研究(60575051)”展开研究的。
本文首先介绍了国内外面向微创手术的遥微操作机器人系统的研究背景、发展现状及趋势。采用二端口网络理论建立了遥微操作机器人系统的动力学模型。然后从分析系统的动力学方程入手,分析了遥微操作机器人系统实现比例跟踪理想性能指标时的条件。
其次,针对应用于微创外科手术,作业环境是人体软组织的遥微操作机器人,指出了以往位置和力比例跟踪理想性能指标的不足,研究了一种新颖的遥操作机器人系统面向微创外科手术时的逼真性性能指标。给出了遥操作系统在满足鲁棒稳定性和跟踪性能指标的前提下,实现逼真性最优性能指标的方法,同时基于本文所研究的逼真性性能指标分析了三种不同控制结构的优劣。
然后,介绍了H 鲁棒控制的基本理论和方法。针对应用于微创外科手术的遥微操作机器人系统,提出了一种基于H 混合灵敏度鲁棒控制器的设计方法。仿真实验表明自由运动状态下主、从手具有良好的比例跟踪效果。
最后,参与研制了一套单自由度遥微操作机器人实验系统,包括该实验系统的机械、硬件电路和软件的设计。使用动物软组织在研制的实验系统上进行了位置和力的1:1及1:3跟踪实验并取得了较好的实验效果。