基于力翻译机制的多端遥操作滑模阻抗控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于力翻译机制的多端遥操作滑模阻抗控制方法，其特征在于它基于双手主端单从端的多端遥操作系统，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
基于力翻译机制的多端遥操作滑模阻抗控制方法


[0001]本专利技术涉及基于力翻译机制的多端遥操作阻抗控制部分的整体方案设计和应用
，特别提供了一种基于力翻译机制的多端遥操作阻抗滑模控制方法。

技术介绍

[0002]双主端单从端多端遥操作系统如图1所示，包括两个主端机械臂和一个从端机械臂。主、从端各机械臂控制结构通常分为机构本体和控制系统两大部分；控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制，完成期望的遥操作运动。控制器系统性能在很大程度上决定了整个多端遥操作系统的性能。主、从端各机械臂采样相同的机构，并具有相同的结构和模型及参数。
[0003]图2中，笛卡儿坐标系下主、从端各机械臂末端的期望运行轨迹用q
d
表示，即根据遥操作任务设定的期望运动轨迹(x,y)；求取大臂和前臂的运动学逆解，作为期望的各关节的转角及角速度q
d
,τ
i
为执行器输出即机械臂的力矩矢量，主、从端各机械臂的阻抗模型为其中图2所示的基本控制系统可通过示教、数值数据、外传感器生成实际的期望轨迹，并转换成笛卡儿坐标系下主、从端各机械臂末端的坐标轨迹；目标轨迹生成环节将此坐标轨迹转换成主、从端各机械臂的大臂和前臂的转角轨迹，作为肘关节和末端的期望输出(肩关节半固定)，控制器经一定的控制算法处理输出控制量，执行器根据控制量的大小输出力矩驱动各关节，最终使系统稳定并保证跟踪误差，即期望值与实际值之差收敛到零或零附近的一个区域，同时满足一定的动态性能指标。从图2中可以看出，主、从端各机械臂基本控制系统是与运动学和动力学模型密切相关的，主、从端各机械臂的控制问题主要是多端遥操作系统的控制问题，主要是针对如何实现遥操作任务的大范围，高速度与高精度的轨迹跟踪而提出来的。随着现代工业的高速发展，对主、从端各机械臂的工作效率和作业质量要求越来越高，多端遥操作系统完成的任务也越来越精巧，特别在高精度，快速运动的场合，主、从端各机械臂的动力学特性变得越来越显著，再加上外部扰动和未建模动力学的影响，单一的运动控制不能满足控制要求，这时必须综合考虑主、从端各机械臂完整的动力学模型和多端遥操作的力翻译机制，重新设计基于力翻译机制的多端遥操作滑模阻抗控制策略(文献1：X.Yang,C.Hua,J.Yan,and X. Guan,Adaptive formation control of cooperative teleoperators with intermittent communications, IEEE Trans Cybern,pp:1
‑
10,2018,doi:10.1109/TCYB.2018.2826016.)。
[0004]在诸如脑神经外科多端遥操作手术中，安全性对于医生和患者都是至关重要的。针对外科手术遥操作系统，国内外学者大多采用双边遥操作阻抗控制、导纳控制来确保手术的安全性。如加拿大Albeta大学的学者们针对心脏手术提出的基于超声图像的双边阻抗控制(L. Cheng,M.Tavakoli.Ultrasound image guidance and robot impedance control for beating
‑
heartsurgery.Control Engineering Practice,2018,81:9
‑
17.)；我国苏州大学及苏州大学附属医院提出基于导纳控制的虚拟夹具控制(A.Lin,
Y.Tang,M.Gan.A virtual fixtures control method ofsurgical robot based on human arm kinematics model.IEEE Access,2019,doi: 10.1109/ACCESS.2019.2942319.)；日本Mie大学学者们利用基于加速度的双边阻抗控制对外科微创手术中的反馈力进行快速估计(D.Yashiro.Fast Stiffness Estimation usingAcceleration
‑
based impedance control and its application to bilateral control.IFAC PapersOnLine, 2017,50(1):12059
‑
12064.)；伊朗学者们针对心脏外科手术提出了双边自适应阻抗控制(M. Sharifi,H.Salarieh,S.Behzadipour et al.Beating
‑
heart robotic surgery using bilateral impedancecontrol:Theory and experiment.Biomedical Signal Processing and Control,2018,45:256
‑
266.)等。
[0005]由于脑外科手术的操作空间狭小，脑组织环境极其复杂，已有的多端遥操作控制方法不能确保手术的安全性。在遥操作系统中，稳定性和透明性始终是相互制约的。稳定性是保证遥操作系统在干扰、主从端通信时延等影响下保持系统稳定，而透明性则是保证在运动过程中从端与环境的接触力可以清晰、准确的反馈给主端。在诸多复杂或无法精确力测量从端接触力的环境下，往往牺牲透明性以保证系统的稳定性。但是，在脑外科手术遥操作系统中，透明性是至关重要的，会直接影响到医生的判断和操作，关系到手术的成败和患者术后恢复。已有的研究大多采用阻抗控制、导纳控制、阻抗/导纳控制或运动/力控制(S.Forbrigger,Y. Pan.Improved Transparency for Haptic Systems with Complex Environments.IFAC PapersOnLine,2017,50(1):8121
–
8126；Z.Hu,J.Zhang,L.Xie et al.A generalized predictive controlfor remote cardiovascular surgical systems.ISA Transactions,2020,104:336
–
344；Y.Kawai,K. Shibano,H.Kawai.Bilateral Tele
‑
Rehabilitation System using Electrical Stimulation applyingModulated Time
‑
Domain Passivity Control.IFAC PapersOnLine,2019,52(15):79
–
84；A. Hooshiar,A.Alkhalaf,J.Dargah.Development and assessment of a stiffness display system forminimally invasive su本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于力翻译机制的多端遥操作滑模阻抗控制方法，其特征在于它基于双手主端单从端的多端遥操作系统，包括以下步骤：
①
建立动力学方程和阻抗模型；
②
设计基于力翻译机制的多端遥操作滑模阻抗控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述动力学方程：D
x
(q
i
)＝J
i
‑1D(q
i
)J
i
‑1(q
i
),),),其中，D
xi
(q
i
)表示操作空间中多端遥操作系统中主、从端各机械臂在操作空间的有界对称正定惯性矩阵，和G
xi
(q
i
)G
i
(q
i
)表示操作空间中多端遥操作系统主、从端各机械臂的柯氏离心效应矩阵以及重力矩阵；f1和f2分别表示主端机械臂左、右侧的接触力，f3表示从侧的接触力；β1,β2∈R,β3＝1为力翻译机制参数，且满足：f1＝β1f3,f2＝β2f3，β1f1+β2f2‑
β3f3＝0；系统中未建模不确定性表示为η并具有上界性；τ
i
表示相应机械臂的实际输入扭矩；D(q
i
)表示关节空间中多端遥操作系统中主、从端各机械臂在操作空间的有界对称正定惯性矩阵；J
i
‑1表示机械臂从操作空间到关节空间中的雅克比矩阵的逆矩阵，J
i
‑
T
表示机械臂从操作空间到关节空间中的雅克比矩阵的逆矩阵的转置矩阵，q
i
表示机械臂各个关节的旋转角度，和G
i
(q
i
)表示关节空间中多端遥操作系统主、从端各机械臂的柯氏离心效应矩阵以及重力矩阵，F
xi
表示遥操作系统的总输入。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于和均为斜正定矩阵。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于主、从端无通信时延。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于主、从端各机械臂的模型和参数均相同。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述阻抗模型：其中，x
c
是接...

【专利技术属性】
技术研发人员：王婷，钟一辰，孙振兴，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：