遙微操作機器人系統(tǒng)分析、建模及滑模變結構控制研究.pdf

1、江蘇科技大學碩士學位論文遙微操作機器人系統(tǒng)分析、建模及滑模變結構控制研究姓名：王艷申請學位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導教師：曾慶軍20080101摘要I摘要遙操作機器人是指在人的操縱下能在人難以接近(距離遙遠、對人有害或操作有難度)的環(huán)境中完成比較復雜的精細操作的一種遠距離操作系統(tǒng)。遙微操作機器人(TeleMicromanipulationRobotTMR)是一種應用于醫(yī)療（特別是微創(chuàng)醫(yī)療）、微生物工程和微機械等領域的特殊遙操

2、作機器人系統(tǒng)，它通過在符合人體工作尺度的宏觀世界操作機器人主手來控制在小尺度空間里的從手，利用所獲得的從手所處環(huán)境的以及從手與環(huán)境的交互的視覺、力覺等信息，借助人的技能去實現(xiàn)人不能或難以直接精確完成的精細操作等，例如生物醫(yī)學中的微操作，微機械的裝配等，同時還可以進一步實現(xiàn)遠程操作。本文主要就是針對用于微創(chuàng)外科手術（MIS）中的遙微操作機器人系統(tǒng)進行研究。傳統(tǒng)的MIS使病人受益，但使外科醫(yī)生操作困難且長時間緊張操作而身心疲憊，也使手術失誤

3、的風險加大。遙操作機器人具有人參與控制、多自由度、精確定位、臨場感、運動大小縮放等特點，將遙操作機器人技術與傳統(tǒng)MIS技術結合，所開發(fā)的遙微操作機器人微創(chuàng)外科手術系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)MIS技術的缺點，且能用作訓練工具。首先，本文分析了國內外面向微創(chuàng)手術的遙微操作機器人系統(tǒng)的研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，介紹了系統(tǒng)的構成及動力學模型，研究了基于二端口網(wǎng)絡模型的遙微操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和理想性能以及穩(wěn)定性與理想性能的折衷問題。其次，本文分析了遙微操

4、作機器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境—人體軟組織的特性，針對軟組織插針過程中產生的形變問題，提出了一種基于有限元法的軟組織形變建模及插針形變仿真分析方法。利用有限元分析軟件ANSYS對軟組織形變進行了仿真，并得到插針作用力與軟組織形變位移之間的關系曲線。然后，針對遙微操作機器人系統(tǒng)非線性軟組織環(huán)境和通信時延問題，設計了一種新型的滑模變結構控制方案，并進行了有時延和無時延仿真。最后，參與實驗系統(tǒng)的研制并開展基于真實動物軟組織的遙操作實驗研究，驗證基于新