面向眼科手术机器人的6-PSS主从执行器设计及重力补偿控制

【摘要】：随着眼科手术需求的不断增加,眼科机器人技术开始进入快速发展期。作为手术机器人的核心,执行器的结构特性与控制性能将直接影响系统的整体性能乃至手术效果。在眼科手术中,医生需要在眼部完成复杂的多自由度操作,要求执行器具备足够的自由度与工作空间。此外,执行器自身会受到重力的作用。从人机交互的角度,重力会导致操作者的疲劳,需尽可能减小;从运动控制的角度,重力对控制形成了干扰,对执行器的控制精度产生影响。因此,对眼科手术机器人设计兼顾精度、自由度、人机交互性能的执行器是十分必要的。本文以机构设计、分析建模与重力补偿为重点,主要研究了以下内容:(1)面向眼科手术的操作需求,完成了主从执行器的机构设计。基于6-PSS并联机构,实现了三轴平移与三轴旋转。在此基础上进行执行器的运动学建模及工作空间分析。利用空间矢量法建立了运动学模型,完成了执行器的正运动学和逆运动学分析。使用Matlab/Simulink仿真对建模结果的正确性进行了验证。采用蒙特卡罗法对工作空间进行分析,验证了设计方案的实用性。(2)采用牛顿-欧拉法建立了执行器的动力学模型。在忽略摩擦力的条件下,对动平台、支链和移动副分别建立了牛顿-欧拉方程,并依据力平衡原则建立了执行器整体的动力学方程。动力学模型为重力补偿控制器设计奠定了基础。(3)基于动力学模型,完成了执行器的重力补偿研究。由动力学方程得到了机构在任意位置的重力,并由此设计了重力补偿控制器。实验结果表明,针对主执行器的重力补偿有效降低了机构重力影响,提高了人机交互的性能;针对从执行器的重力补偿有效提高了运动控制精度,实现了精密控制。本文以眼科手术为应用背景,基于6-PSS并联机构设计了六自由度眼科手术机器人主从执行器。对所设计执行器的运动学和动力学进行了分析与建模,并基于动力学模型实现了重力补偿。实验结果表明,主执行器的操作力下降93%,从执行器位姿控制的均方根误差下降66.54%,有效提高了系统整体性能。