主从式微创手术机器人控制系统设计

(天津工业大学机械工程学院 天津 300387)

一、引言

微创手术机器人具有创伤小、流血少、恢复快等优点[1]。微创手术机器人控制系统在微创手术机器人系统中具有至关重要的作用。目前国外的da Vinci微创手术机器人代表了世界上的最先进水平，但是da Vinci微创手术机器人价格昂贵。在国内，具有代表性的是天津大学的“妙手”微创手术机器人[1]。在控制方法方面，传统PID在轨迹跟踪问题中传统PID收敛速度较慢，难以达到满意的效果。[2]本文提出基于迭代控制的微创手术机器人主从跟踪系统，迭代控制快速的使被控对象达到期望的目标轨迹[3]。

二、微创手术机器人控制系统平台

微创手术机器人控制器是基于工业计算机和FPGA控制器的控制系统，微创机器人系统包含两个主操作臂、两个从操作臂和一个图像臂。FPGA控制器主要是对各个操作臂电机信息采集和运动控制。每个电机都有配套的编码器和电位器，用来采集电机的速度和位置信息采集。工业计算机将主操作臂各关节运动信息计算后通过逆运动学计算出从操作臂各个关节的位置和速度信息。

三、运力学模型建立

主操作臂采用Phantom Desktop，从操作臂为自行设计的基于双平行四边形原理设计的远程运动中心机构和三自由度手术器械。

用D-H法建立主从操作臂的运动学模型的坐标系。给出坐标系和D-H参数，图1给出了主从操作臂D-H的坐标系。表1和表2分别给出了主、从操作臂各连杆的D-H参数。

图1 主从操作臂D-H坐标系

Frameαi-1ai-1θidi10-l1θ1l22π/20θ2030l1-π/2-θ2+θ30tool-π/2l2π/20

表2 从操作臂的D-H参数

四、迭代控制律设计

迭代控制是通过迭代方法达到控制目标改善，能实现对未知对象的实际运行轨迹的高精度跟踪期望轨迹，在迭代控制中加入鲁棒性，实现了轨迹跟踪的稳定性和提高了轨迹跟踪的学习速度。

迭代控制的基本原则是：通过已知的期望输出θ(t)和初始位置的状态，在一定的时间内，按照一定的迭代控制学习律，达到系统的实际输出等于期望输入和实际输出等于期望输出。鲁棒迭代控制律的结构如图2所示。

图2 鲁棒迭代控制结构

闭环迭代学习控制律是第k+1次的输出等于第k次的控制输出和第k+1次的输出误差的校正项的和，即：

θk+1(t)=θk(t)+L(ek+1(t),t)

(3)

其中，ek+1(t)=θd(t)-θk(t)，L为给定映射。

针对从操作臂运动学模型，本文设计的迭代学习控制律是：

(4)

五、仿真与实验验证

为验证所设计的微创手术机器人的主从运动控制鲁棒迭代控制算法的可行性、可靠性进行了主从运动轨迹跟踪实验。主从操作臂采用1:1比例控制，主从操作臂初始位置均为零位。主操作臂在空间内走一段空间随机曲线，图3中给出了空间曲线下的主从轨迹跟踪。图4给出了轨迹下的主从轨迹跟踪误差。

图3 主从轨迹跟踪

图4 主从轨迹跟踪误差

实验过程中，从操作臂可以平稳准确地跟随主操作臂，各个关节运行平稳。由图3和图4可以看出，运用迭代算法设置主从跟踪最大误差较小，微创手术的机器人从操作臂可以精确跟随主操作臂运动，主从通讯频率达到要求。实验表明该控制系统满足微创手术机器人的可扩展性、实时性和可靠性要求。

【参考文献】

[1]曲效锋.微创手术机器人实时系统构建与主从控制策略[D].哈尔滨工业大学,2016.

[2]王晨光.机械手系统轨迹跟踪混合控制算法的研究[D].天津理工大学,2013.

[3]王振玉,杨斌.基于迭代学习控制律的五自由度机械臂研制[J].机械与电子,2016,34(03):72-74+80.[2017-10-13].