本文關(guān)鍵詞：手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療水平不斷發(fā)展,人類(lèi)能夠通過(guò)外科手術(shù)治療的疾病越來(lái)越多,相應(yīng)的外科手術(shù)越來(lái)越繁雜,精度和穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高,面對(duì)如此高精度且步驟繁雜的手術(shù),人類(lèi)發(fā)明了手術(shù)機(jī)器人。手術(shù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外科手術(shù)前所未有的精確控制,對(duì)于人類(lèi)文明的發(fā)展具有相當(dāng)程度的意義,也具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。手術(shù)機(jī)器人在控制精度和穩(wěn)定性方面比傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人要求更高,而且還要求具有較大的工作空間、較快的響應(yīng)速度和良好的靈活性。在機(jī)器人的性能指標(biāo)中,運(yùn)動(dòng)精度尤為重要,它是機(jī)器人能夠完成操作任務(wù)的前提保證。然而由于受幾何誤差、環(huán)境噪聲以及控制算法優(yōu)劣等眾多因素影響,導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)動(dòng)性能與期望的高精度運(yùn)動(dòng)性能相比還有較大差距,使得設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的控制系統(tǒng)也變得困難。因此,對(duì)提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究具有非常重要的意義。本文以七自由度串聯(lián)機(jī)械臂為研制對(duì)象和實(shí)驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械臂控制精度低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),采用理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真相結(jié)合的方法,對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了較為全面和系統(tǒng)的研究。首先,對(duì)七自由度機(jī)械臂進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,推導(dǎo)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法并對(duì)其進(jìn)行理論分析。其次,分析機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)振顫現(xiàn)象的原因及提出相應(yīng)的軟硬件抑制方案。通過(guò)軟件方法設(shè)計(jì)一個(gè)頻率和占空比可隨時(shí)調(diào)節(jié)且精度較高的多路時(shí)序脈沖發(fā)生器,提高控制平穩(wěn)性;在關(guān)節(jié)控制的電路中添加一個(gè)簡(jiǎn)單且實(shí)用性強(qiáng)的智能調(diào)壓電路用于鋪助關(guān)節(jié)控制,作為補(bǔ)償方法,減少機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差,優(yōu)化關(guān)節(jié)位置閉環(huán)控制。然后,在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下,應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立七自由度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間的直接映射關(guān)系,通過(guò)映射關(guān)系得到笛卡爾空間坐標(biāo)下對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度值,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂逆解的快速求取,同時(shí)又保證較高的精度;在系統(tǒng)控制方面,為了解決傳統(tǒng)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)自適應(yīng)性差的問(wèn)題,設(shè)計(jì)參數(shù)自整定的模糊PID控制器,改善控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的綜合控制。而后,通過(guò)KINECT傳感器的骨骼跟蹤技術(shù)和上位機(jī)控制及信號(hào)處理,實(shí)現(xiàn)了一種人體和實(shí)際的機(jī)械臂進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的方式。程序設(shè)計(jì)中采用空間向量夾角的計(jì)算方法獲取人體手臂相鄰關(guān)節(jié)的角度,使得關(guān)節(jié)角的計(jì)算簡(jiǎn)單、快速,同時(shí)避免了平面夾角計(jì)算所要考慮的一些邊界條件限制;控制關(guān)節(jié)角獲取之后,考慮到操作者手部抖動(dòng)、環(huán)境變化等使得控制關(guān)節(jié)角存在異常值會(huì)降低機(jī)械臂的控制效果,采用一種加權(quán)滑動(dòng)平均值算法對(duì)采集到的關(guān)節(jié)角進(jìn)行濾波處理,濾除噪聲和異常值,提高機(jī)械臂的控制效果。最后,搭建手術(shù)機(jī)器人仿真平臺(tái),并在所搭建的仿真平臺(tái)上進(jìn)行七自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿真研究。
【關(guān)鍵詞】：手術(shù)機(jī)械臂 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊PID算法 系統(tǒng)優(yōu)化 關(guān)節(jié)綜合控制
【學(xué)位授予單位】：上海工程技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP241
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-24
• 1.1 選題來(lái)源14-15
• 1.2 手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展15-19
• 1.2.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀15-17
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)18-19
• 1.3 機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研究19-22
• 1.3.1 機(jī)器人誤差及補(bǔ)償研究19-20
• 1.3.2 機(jī)器人關(guān)節(jié)控制策略研究20-21
• 1.3.3 機(jī)器人軌跡跟蹤方法研究21-22
• 1.4 本文主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)22-23
• 1.5 本章小結(jié)23-24
• 第二章 手術(shù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析24-36
• 2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)概述24
• 2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法24-28
• 2.2.1 剛體的位姿描述24-25
• 2.2.2 剛體的坐標(biāo)變換25-26
• 2.2.3 D-H方法和連桿參數(shù)26-28
• 2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析28-35
• 2.3.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析28-33
• 2.3.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析33-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第三章 手術(shù)機(jī)械臂誤差分析與優(yōu)化方案確定36-45
• 3.1 引言36
• 3.2 機(jī)械臂系統(tǒng)的誤差因素36-38
• 3.2.1 誤差的來(lái)源和分類(lèi)36-37
• 3.2.2 誤差的分析方法37-38
• 3.3 機(jī)械臂系統(tǒng)的誤差分析38-43
• 3.3.1 末端位姿的描述38-39
• 3.3.2 誤差模型的建立39-43
• 3.4 機(jī)械臂系統(tǒng)的優(yōu)化方案43-44
• 3.4.1 末端位姿的誤差分析43
• 3.4.2 系統(tǒng)的優(yōu)化方案43-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第四章 手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)的的硬件優(yōu)化45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 肘擺關(guān)節(jié)的智能調(diào)壓電路設(shè)計(jì)45-51
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建45-46
• 4.2.2 硬件電路設(shè)計(jì)46-49
• 4.2.3 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)功率測(cè)試49-50
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比50-51
• 4.3 基座關(guān)節(jié)的多細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)51-53
• 4.4 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)53-54
• 4.5 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置反饋電路設(shè)計(jì)54-56
• 4.6 本章小結(jié)56-57
• 第五章 手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)的的軟件優(yōu)化57-80
• 5.1 引言57
• 5.2 多路時(shí)序控制脈沖發(fā)生器57-63
• 5.2.1 時(shí)序脈沖信號(hào)產(chǎn)生的軟件方法58-59
• 5.2.2 時(shí)序脈沖信號(hào)的軟件編程和結(jié)果分析59-63
• 5.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解63-71
• 5.3.1 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題63-64
• 5.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模64-66
• 5.3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求機(jī)械臂逆解66-67
• 5.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析67-71
• 5.4 機(jī)械臂模糊PID控制71-79
• 5.4.1 模糊PID的基本原理71-74
• 5.4.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)74-79
• 5.5 本章小結(jié)79-80
• 第六章 手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)軌跡跟蹤控制的研究與實(shí)現(xiàn)80-92
• 6.1 引言80
• 6.2 機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)80-83
• 6.3 機(jī)械臂系統(tǒng)的軌跡跟蹤83-90
• 6.3.1 Kinect的工作原理83-85
• 6.3.2 關(guān)節(jié)角計(jì)算85-87
• 6.3.3 關(guān)節(jié)角度軌跡平滑處理87-90
• 6.4 整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)90-91
• 6.5 本章小結(jié)91-92
• 第七章 總結(jié)與展望92-94
• 參考文獻(xiàn)94-100
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的相關(guān)科研成果100-101
• 致謝101-102

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