手术机械臂系统优化与轨迹跟踪控制研究

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1、Ｉ中阁分类号；ＴＰ２４１．３巧校化巧：１脱５６：Ｍ０２０２学导ｍ２２＾Ｅ硕壬学位论文Ｉ！Ｉ控制研究机械电子工程专业作者姓名＾邓深教授指导教师＾＿＿３完成日期２０１６年１月Ｉ上海工程技术大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所递交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到

2、本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：曰期；心／（５年＾月作曰上海工程技术大学学位论文版权使用授巧书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并。向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权上海工程技术大学可将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可。１＾＾采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密□，在年解密后适用本授权书。＿＿本学位论文属于不保密囚。‘’（请在Ｗ上方框内打Ｖ）学位论文作者签名；；指导教师

3、签名兴年＊：日期；＾月／少日日期＞奶年月｜日１；）＾户中图分类号：TP241.3学校代码：10856学号：M020213122上海工程技术大学硕士学位论文手术机械臂系统优化与轨迹跟踪控制研究作者姓名：黄祖良指导教师：邓琛教授专业：机械电子工程学院：电子电气工程学院申请学位：工学硕士完成时间：2016年1月评阅人：孔勇、邵惠鹤答辩委员会主席：李明齐成员：吴飞、李荣正、孔勇、刘翔、UniversityCode：10856StudentID:M020213122RESEARCHONOPTIMIZATIONANDTRAJECTORYTRACKINGC

4、ONTROLOFMANIPULATORSYSTEMCandidate:HuangZuLiangSupervisor:Prof.DengChenMajor:MechatronicEngineeringShanghaiUniversityofEngineeringScienceShanghai,P.R.ChinaJanuary,2016手术机械臂系统优化与轨迹跟踪控制研究摘要随着经济和医疗水平不断发展，人类能够通过外科手术治疗的疾病越来越多，相应的外科手术越来越繁杂，精度和稳定性要求也越来越高，面对如此高精度且步骤繁杂的手术，人类发明了手术机器人。手术

5、机器人可以实现对外科手术前所未有的精确控制，对于人类文明的发展具有相当程度的意义，也具有非常广阔的市场前景。手术机器人在控制精度和稳定性方面比传统的工业机器人要求更高，而且还要求具有较大的工作空间、较快的响应速度和良好的灵活性。在机器人的性能指标中，运动精度尤为重要，它是机器人能够完成操作任务的前提保证。然而由于受几何误差、环境噪声以及控制算法优劣等众多因素影响，导致机器人实际的运动性能与期望的高精度运动性能相比还有较大差距，使得设计一个高性能的控制系统也变得困难。因此，对提高机器人的运动精度的关键技术展开研究具有非常重要的意义。本文以七自由度串联

6、机械臂为研制对象和实验平台，针对传统的机械臂控制精度低、稳定性差等缺点，采用理论分析、实验验证和仿真相结合的方法，对相关技术进行了较为全面和系统的研究。首先，对七自由度机械臂进行正运动学分析，建立其运动学模型，推导逆运动学求解方法并对其进行理论分析。其次，分析机械臂运动过程中出现振颤现象的原因及提出相应的软硬件抑制方案。通过软件方法设计一个频率和占空比可随时调节且精度较高的多路时序脉冲发生器，提高控制平稳性；在关节控制的电路中添加一个简单且实用性强的智能调压电路用于铺助关节控制，作为补偿方法，减少机械臂的运动学误差，优化关节位置闭环控制。然后，在不

7、改变机械结构的情况下，应用神经网络建立七自由度机械臂的关节空间与笛卡尔空间的直接映射关系，通过映射关系得到笛卡尔空间坐标下对应的机械臂各关节角度值，实现机械臂逆解的快速求取，同时又保证较高的精度；在系统控制方面，为了解决传统机械臂的控制系统自适应性差的问题，设计参数自整定的模糊PID控制器，改善控制系统的运行性能，实现机械臂关节的综合控制。I而后，通过KINECT传感器的骨骼跟踪技术和上位机控制及信号处理，实现了一种人体和实际的机械臂进行远程交互的方式。程序设计中采用空间向量夹角的计算方法获取人体手臂相邻关节的角度，使得关节角的计算简单、快速，同时

8、避免了平面夹角计算所要考虑的一些边界条件限制；控制关节角获取之后，考虑到操作者手部抖动、环境变化等使得控制关节角存在异常值