关键词： 空间机器人   捕获卫星操作   减撞柔顺控制   RBF神经网络   事件采样输出反馈  

摘要： 随着人类逐渐意识到太空真空资源、轨道资源、矿产资源等的重要性,各类如空间飞行、空间探测、空间开发等空间技术应运而生。同时,得益于空间技术的发展,空间机器人也被期望代替宇航员执行更复杂和更危险的太空任务;如空间站建设、失效部件替换、卫星维修、卫星燃料加注等;而空间机器人的捕获操作技术是实现上述太空任务的关键。考虑到空间机器人捕获高速旋转卫星时,其关节会受到很大的冲击力矩,若冲击力矩过大,将对最薄弱的关节处造成破坏。因此,在空间机器人捕获卫星过程,对其关节免受冲击力矩破坏的研究非常有意义。基于上述背景,本文考虑建立两种构型的空间机器人系统模型,并研究其捕获卫星过程的动力学及减撞柔顺控制。首先,利用第二类Lagrange方程法,分别得到了捕获操作前双臂空间机器人、含柔性机构双臂空间机器人系统的动力学方程。基于冲量定理、系统运动关系及牛顿第三定律,计算了空间机器人捕获卫星过程受到的冲击效应及冲击力,得到了捕获操作后混合体系统的综合系统动力学方程。其次,针对双臂空间机器人捕获卫星后形成的混合体系统,考虑其速度信号受噪声影响无法准确测量及系统存在模型不确定、外部扰动等非线性不确定项,设计了基于速度重构、不确定估计的镇定控制方案。接着,针对含柔性机构双臂空间机器人捕获卫星后形成的混合体系统,运用奇异摄动理论将其分解为快变子系统和慢变子系统。考虑其速度信号受噪声影响无法精确测量及系统存在非线性未知项,提出用RBF神经网络观测器重构空间机器人系统关节速度项及补偿空间机器人系统未知项;同时,考虑到星载计算机的计算能力有限,神经网络权值实时更新将降低控制系统的运行效率,提出用事件采样输出反馈控制来约束神经网络权值的更新。综合上述两点,设计了一种基于事件采样输出反馈的RBF神经网络减撞柔顺控制方案。为了保证各机械臂协同操作,利用加权最小范数方法进行各关节的力矩分配。最后,应用Matlab仿真软件对捕获操作过程进行数值仿真,验证了所提减撞柔顺控制策略的正确性。

关键词： 护理机器人   控制系统设计   触觉感知   力超调   阻抗控制  

摘要： 人口老龄化日益严重,养老护理人员严重缺失,养老护理问题已成为我国亟待解决的社会性问题,护理机器人的研发大势所趋。目前,我国对于护理机器人的研究仍处于样机实验阶段,为了推动护理机器人的实用化进程,研发出控制精度高、安全稳定、柔顺性好双臂护理机器人,本文对双臂护理机器人的控制系统设计与柔顺控制策略进行了研究。基于差动式双臂护理机器人的构型特点,设计了基于雅可比矩阵的分解速率运动控制方案。利用速度雅可比矩阵的空间映射能力,在不需要求解逆运动学的情况下,将笛卡尔速度映射到关节速度,在关节空间中实现笛卡尔空间的轨迹跟踪。根据差动式双臂护理机器人的构型与任务需求,研发了一套具有触觉感知功能的双臂护理机器人控制系统。采用“PC+PMAC”控制结构完成控制系统硬件设计,使用Lab VIEW上位机+Pcomm Server+Power PMAC下位机的软件设计方案,结合Matlab强大的计算能力,实现了快速、精准的运动控制;利用六维力传感器和柔性触觉传感器进行触觉感知系统设计,使护理机器人具备触觉感知能力。针对机器人与外界环境接触瞬间力超调严重的问题,提出一种基于RBF自适应滑模位置控制的非线性比例-微分阻抗控制策略,分别设计了力跟踪外环和位置控制内环。以RBF神经网络自适应滑模控制为位置控制内环,利用RBF神经网络快速逼近系统的动力学模型和补偿系统中不确定性扰动,有效的抑制了抖振,提高了系统位置跟踪精度;以改进阻抗控制作为力跟踪控制外环,在原有阻抗模型的基础上,引入了非线性权重的接触力微分项,提高了阻抗模型对接触力变化的敏感性。进行ADAMS与Matlab/Simulink联合仿真实验,验证了本文所提策略具有更好的力响应速度和位置跟踪精度,可以有效的减小机器人与环境接触瞬间的接触力。最后,基于本文所设计的控制系统,进行位置跟踪实验,验证了控制系统设计与运动控制方案的正确性与可行性;进行基于六维力传感器的柔顺控制实验,验证了本文所提出柔顺控制算法的有效性与实用性,在机械臂与外界环境接触过程中,具有良好的柔顺性与稳定性;进行了基于柔性触觉传感器的柔顺控制实验,验证了本团队设计的柔性触觉传感器具有很好的实时性,能快速反馈接触力变化,使护理机器人具有良好柔顺性,可满足机器人实际应用需求。

关键词： 空间机械臂   点云配准   状态估计   图优化   轨迹规划   柔顺控制   阻抗控制  

摘要： 在空间非合作目标捕获任务中,由于机械臂处于自由漂浮状态,同时存在系统动力学耦合等特性,捕获接触产生的碰撞力会引起空间机器人及目标航天器的随动,甚至造成航天器的损坏。因此,为实现准确抓捕及减小机械臂末端与目标航天器的碰撞力,本课题针对抓捕过程中目标特征难识别、抓捕冲击难控制、运动控制难协同等问题,以微重力环境下机械臂和目标航天器的接触具有随动不确定性为研究背景,分别从目标状态估计、机械臂轨迹规划和末端柔顺控制三个阶段对抓捕阶段进行研究,建立了一套较完备的空间机械臂柔顺捕获策略。课题主要完成工作如下:首先,提出了一种基于点云协方差矩阵变换的相对姿态估计方法,无需点云特征识别和提取,可以为机械臂的轨迹规划和控制提供先验信息。该方法利用平面点云旋转特征不变性实现了点云配准;为解决连续配准后造成的累计误差,在关键帧利用迭代最近点算法进行姿态约束,并通过图优化对姿态进行了修正。在完成了目标点云帧间相对位姿估计后,设计了扩展卡尔曼滤波器对目标的位置、速度、角速度等参数进行持续估计。仿真结果表明,该方法在点云小角度变化的情况下,无需提取特征点即可得到较高的配准精度和状态估计精度。其次,提出了一种适用于自由漂浮状态下的非冗余机械臂碰前轨迹规划方法。该方法利用空间机械臂的动力学耦合特点和非完整冗余特性,在初始状态和最终抓捕状态之间增加了一种过渡状态,以保证末端抓捕位置和姿态的准确性;利用粒子群算法对过渡状态和参数化的关节角进行寻优求解,并最小化关节运动和碰撞脉冲造成的基座扰动。以空间六自由度机械臂为例进行的仿真结果表明,该方法可以实现非冗余机械臂的碰前最优轨迹规划。然后,提出了一种基于PD-阻抗组合控制算法的柔顺捕获策略,用于实现服务航天器与目标航天器之间的安全稳定接触。为吸收碰撞过程的能量,首先在机械臂末端设计了一个弹簧-阻尼系统,并利用拉格朗日方程推导了相应的动力学方程。为实现接触过程的柔顺性,提出了一种位置阻抗控制方法,该方法建立了稳态误差和碰撞接触力的关系;根据相对速度和碰撞方向推导了机械臂末端期望轨迹的一般方程。仿真结果表明,末端的接触平面可以在较短时间内对目标航天器进行减速和消旋,整个过程中的接触力、相对速度和相对角速度均逐步趋近于零。最后,设计并搭建了一套基于深度相机的机械臂抓捕实验平台,在此基础上完成了机械臂和相机的标定,验证了目标状态估计算法,实现了机械臂目标跟随控制功能,为后续柔顺捕获任务奠定了良好的基础。

关键词： 曲面抛光   STL模型   抛光轨迹   柔顺控制   刀具补偿  

摘要： 曲面零件广泛运用于航空航天、汽车、船舶以及模具等领域。曲面零件在铣削工序后一般需要经过抛光工序满足质量要求。目前,曲面零件的抛光以人工作业为主。机器人抛光可以解决人工抛光效率低、表面质量一致性差等弊端,国内外对机器人抛光的研究主要集中在曲面轨迹规划和抛光控制方面,但如何减小机器人的抛光误差,以及如何提高机器人抛光柔顺度等方面的研究比较欠缺。本文拟从离线刀轨数据插补算法、控制系统自适应补偿算法等方面展开研究,主要研究内容如下:(1)通过分析自由曲面抛光工艺、机器人抛光工艺以及现有机器人自动抛光系统架构,提出一种新型的曲面零件机器人自动抛光系统架构。该新型架构可以减小机器人运动误差,提高机器人上位机软件的控制精度。(2)针对点云数据拓扑性差的缺点,提出一种改进的共享顶点数据结构,提高STL模型抛光轨迹规划的计算效率;为了解决STL模型等距截面法所生成的刀轨误差较大、行距不均匀等问题,提高轨迹规划算法的计算精度,提出一种基于STL模型构造曲线的等残高刀轨生成算法。(3)提出一种基于刀具轮廓控制的曲面零件抛光自适应补偿算法,提高机器人抛光曲面零件的柔顺性。分析刀具的磨损特征及规律,建立球型或柱状抛光刀具的轮廓模型。通过接触实验,分析采用不同抛光刀具时系统的刚度;基于赫兹接触理论,探讨接触区域参数与期望力的关系,分析刀位点的精确位置与刀具补偿量的大小,提高机器人抛光的运动补偿精度。(4)创建曲面零件机器人抛光可视化仿真模型,验证规划轨迹的平稳性与干涉性。根据曲面零件机器人自动抛光系统新型架构,采用VC++6.0平台研制了机器人自动抛光控制软件。以汽车轮毂模具为实例进行了相应的抛光试验。本文通过探讨曲面零件的高精度柔顺控制策略,重点针对控制系统精度、路径插补误差和运动补偿精度三个方面展开了研究,提高了机器人抛光的控制精度;并通过试验验证了该自适应补偿方法的显著效果。

关键词： 手部协作   软体执行器   链式约束梁模型   有限元分析   模糊控制  

摘要： 传统的脑卒中患者手部康复设备普遍采用被动训练方法,难以调动患者自主康复训练的积极性,康复效果不佳。目前,手部康复设备多为刚性外骨骼结构,这种刚性设备结构复杂,穿戴困难,成本高昂,使用时需要专业护理人员协助,难以广泛应用。软体气动执行器具有柔顺性强、结构简单、制造成本低、无污染等优点,可代替刚性结构应用于手部康复设备。本文在分析国内外关于手部康复设备和软体气动执行器的基础上,以实现协助手部抓取物体为目标,提出了一种手部协作柔顺机构。本文首先对手部协作柔顺机构进行了结构设计,对机构主体部分的柔顺气动手指采用三关节楔形气腔设计,第一关节负责反向弯曲,第二和第三关节负责正向弯曲,以模拟人体手指抓取动作。在底层加入弹簧钢片,以改善软体执行器刚度不足的问题。基于有限元仿真分析对气腔间距参数进行了优化,探究了气腔间距结构对弯曲性能的影响。同时,分析了柔顺气动手指关节弯曲动作的原理,给出了弯曲角度与气腔压强之间的关系。根据柔顺气动手指的抓取动作特点,将其动作过程分为第一阶段的纯弯曲运动和第二阶段的受力弯曲运动。基于Euler-Bernoulli梁变形理论和链式约束梁模型,分别对两个阶段的变形展开静力学和运动学分析,建立理论模型,给出了柔顺气动手指位形变化与受力状态之间的关系。该模型采用无量纲参数表示,具有较强的适用性。在理论分析的基础上,给出了利用有限元仿真分析探究柔顺气动手指力学特性的方法,并对理论模型的准确性进行了仿真验证。对柔顺气动手指进行包括控制系统、信息采集系统和气压执行系统在内的整体系统设计,并对抓取策略进行分析。在理论模型研究基础上,针对抓取过程中两个阶段的特点,设计了模糊-PI双模控制器和参数自调节模糊-PID控制器分别对柔顺气动手指末端高度和末端力进行闭环控制。同时,对柔顺气动手指的单关节独立驱动能力进行了测试,并对理论模型的准确性进行了验证测试。最后,佩戴柔顺气动手指对目标物进行抓取测试,验证了柔顺气动手指的协助抓取能力。

关键词： 柔性关节   串联弹性驱动器   动力学模型   控制方法   联合仿真  

摘要： 考虑到工业上常用的机械臂特性,目前机械臂不仅需要自身拥有精密的轨迹运动,还需要在此基础上实现更多的接触式任务。机械臂的末端不仅需要按照指定的轨迹运动,还需要让机械臂末端对目标物体实现柔顺抓捕。结合现有条件与工业需求,引进了串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,简称SEA)作为机械臂柔性关节的一部分,可以更好地使得机械臂与环境发生交互作用。本文也将设计一种SEA并且基于这种SEA设计机械臂柔性关节的结构,并对柔性关节进行以下分析工作:设计了一种波纹状弹性元件为关节提供柔性,利用优化分析设计的方法,在考虑加工难度的前提下最终设计出波纹状弹性元件。通过与另外两种SEA进行对比,得出了选择波纹状SEA的优点。由于波纹SEA自身良好的刚度特性,将SEA引入到机械臂的关节内部,并且在Spong简易关节模型的基础上做优化,考虑SEA的阻尼的影响并且引入电气阻尼,这使得柔性关节的动力学模型得到了优化,分析不同的SEA参数会对柔性关节系统产生不同的影响,通过调试选取刚度和阻尼值。之后简化柔性关节的模型,利用ADAMS软件建立柔性关节的虚拟样机,设定好虚拟样机的参数后与Simulink联合起来仿真,采用PID控制器对其进行了力矩控制以及位置控制的仿真与分析。基于PID控制,在其基础上考虑到与环境的接触与交互,引入了阻抗控制器,模拟了在有外界环境干扰下,柔性关节末端位置的输出控制,并且分析各个阻抗参数的变化对关节输出轴位置及接触力的变化的影响。考虑到环境不是一成不变,在闭环PID控制以及阻抗控制的基础上,引入了模糊控制器,之后分别对柔性关节系统进行模糊化、模糊推理、清晰化的处理,仿真分析在加入了模糊控制后柔性关节系统输出的变化,证明通过模糊控制对提高柔性关节输出效果非常有帮助。搭建柔性关节的实验平台,加工三种厚度不同的波纹状弹性元件,分别对三种刚度不同的波纹状弹性元件进行刚度标定实验,与前文弹性元件力学性能分析进行对比,之后分析误差来源。将三种刚度不同的弹性元件分别引入到关节内部,为关节提供柔顺性能,利用柔性关节实验平台进行柔性关节输出轴末端的位置跟随实验,验证所设计的波纹状弹性元件可以实现在本文的设计指标下较为理想的位置控制。之后验证三种刚度不同的弹性元件以及末端负载不同的情况下对输出位置的影响与前文的仿真分析一致。

关键词： 步行康复训练机器人   多通道近距离传感器   LSTM   柔顺控制   二维模糊系统  

摘要： 面对人口老龄化的快速发展趋势及运动功能障碍患者数量的急剧增长,仅依靠医疗训练师进行运动康复训练,已经无法满足对助老助残医疗服务的供应需求。因此,步行康复训练机器人及其相关技术应运而生。在步行康复训练机器人的研究中,步行康复训练机器人柔顺化控制技术对用户在人机交互中的舒适性尤为重要。因此,本文从步行康复训练机器人柔顺化控制角度出发,展开以下几方面工作:首先,介绍了一款本实验室自主研发的步行康复训练机器人及其机械结构与交互方式,建立了步行康复训练机器人的运动学模型。结合该机器人机械结构特征,设计了一种易于集成的、非接触式的多通道近距离激光传感器以采集步行康复训练过程中人机交互相对距离。其次,针对人机交互过程中双腿与机器人相对动态距离计算问题,分别采用卡尔曼滤波、自回归滑动平均模型、长短期记忆网络(Long Short-term Memory Network,LSTM)模型和改进LSTM模型四种时间序列模型求解双腿交互距离。基于这四种模型对不同种类的步态数据进行仿真实验,结合绝对误差分布、性能评价指标对比分析了四种模型在不同种类步态预测效果的优劣程度。结果表明本文提出的改进LSTM模型能够有效提高预测精度,而且面向不同种类的步态具有良好的泛化能力,因此适用于计算下一时刻的腿部交互距离。再次,基于距离-速度转换算法将计算所得的距离信息转换成用户意图速度,分别建立了基于步行康复训练机器人运动学模型的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)控制器和PID控制器,对用户匀速和变速行走时的意图速度进行仿真对比,结果表明PID控制器具有较好的控制性能。针对用户突然变速引起机器人抖动问题,采用样本插值法对输入数据进行平滑处理。通过实验证明本文提出的柔顺化控制方法具有可行性与有效性。最后,针对步态相对改进LSTM模型的预测性能进行分析,通过压力传感器实时获取足底压力数据,利用改进LSTM模型对人行走过程中的步态相进行划分,验证了改进LSTM模型对步态相同样具有可行性。提出结合主客观评价的二维模糊系统方法评估本文提出方法的安全性与舒适性,证明了本文提出方法能够实现机器人的柔顺化控制,同时增强了人机交互过程中的体验。

关键词： 装配机器人   柔顺控制   基于位置的阻抗控制   阻抗参数   混合粒子群算法  

摘要： 随着现代工业地不断发展,工业机器人的应用场景也越来越丰富,这意味着机器人技术面临着越来越多的要求和挑战。装配机器人是应用于装配生产线上,对零部件进行装配的工业机器人。相比用于喷漆机器人、移动机器人等,装配机器人往往需要控制与环境的接触力以完成装配任务。而目前应用最多的位置控制型机器人通常不能控制与环境间的接触力,因此对于柔顺控制的研究与应用是装配机器人技术发展中亟待解决的问题之一。本文针对一种新型弹簧自锁螺母的装配任务设计了专用的装配机器人,围绕其机械结构设计和柔顺控制算法开发两方面进行了深入研究。(1)详细分析了弹簧自锁螺母装配任务的目标,细化了装配任务。并从机器人的自由度需求、工作空间需求、夹持任务需求以及控制算法需求四个方面,详细说明了装配系统的功能需求。为后续装配系统的机械结构设计和控制算法设计指明了方向。(2)针对装配系统的自由度需求设计了运动学构型为PRP型的装配机器人。针对装配系统的工作空间需求和夹持任务需求,对关节驱动器、传感器等关键零部件进行了选型,对末端执行器、连接件等非标零件进行了结构设计。针对刚体与刚体接触瞬间力突变的问题,优化了末端执行器结构,将装配时的接触对象由“末端执行器-螺母”变为“弹簧-螺母”,将环境刚度由105N/mm降低为7N/mm,实现了所设计机器人的被动柔顺性。然后完成了装配机器人的三维设计和实物的加工搭建,并利用D-H法建立了运动学模型。最终通过对装配机器人的负载能力、运动学模型和工作空间计算分析,验证了其结构设计在弹簧自锁螺母装配任务中的可行性。(3)针对装配系统的控制算法需求,利用力/位混合控制算法进行约束分析,确定了各关节步进电机的控制方式。然后针对各步进电机,分别设计了控制算法。对于第一关节和第二关节的步进电机,利用各自对应的传感器的反馈值,基于增量式PID控制设计了位置控制算法。对于第三关节的步进电机,利用压力传感器反馈末端与环境之间的接触力,然后将基于位置的阻抗控制模型离散化,设计了力控制算法,实现了所设计机器人的主动柔顺性。并求出了末端位移量的解析解,为第五章阻抗参数的优化提供了理论依据。最后利用Simulink建立了基于位置的阻抗控制的仿真模型,通过仿真结果总结出了阻抗参数对控制系统的影响规律。并与直接力反馈控制和PI控制的仿真结果进行了对比分析,结果表明了在本文的装配系统模型中,基于位置的阻抗控制拥有更好的控制效果。(4)针对人工整定阻抗参数时存在的费时且效果较差的问题,提出了基于混合粒子群算法的阻抗参数优化方法。首先将装配机器人的三维模型简化,导入Adams中。并通过和Simulink的联合仿真,建立了装配机器人的末端执行器与螺母的接触模型。然后设计了以力超调量和调节时间为优化目标的适应度函数,利用混合粒子群算法整定了基于位置的阻抗控制器的阻尼系数bd和刚度系数kd。仿真结果表明,优化后的基于位置的阻抗控制器不仅能使末端执行器在与环境接触时产生较小的力超调量和稳态误差,还能快速的到达稳定状态。且与人工整定的阻抗参数相比,经过优化后的阻抗参数能达到更好的控制效果。

关键词： 踝关节康复机器人   表面肌电信号   柔顺控制   异常检测  

摘要： 踝关节康复机器人及其控制方法的研究对于改进踝关节康复患者的康复训练方式，改善患者的训练效果具有重要意义。当前，针对踝关节康复患者的康复方式主要分为两种，一种是从医学康复的角度，通过康复医师对患者踝关节的患病机理进行病理诊断，后期通过康复护士、康复治疗按摩师等医学工作者进行定期的康复按摩和辅助肌肉锻炼，同时患者自身采用良姿位或抗痉挛体位进行踝关节的活动锻炼，长期坚持锻炼不断挖掘对运动恢复的潜力，达到重塑运动能力的目的。另一种是通过康复机器人代替康复医师完成对患者的康复训练任务，由于在康复训练过程中患者肌肉无法独立完成踝关节动作，由此在康复机器人中引入皮肤表面肌电信号，将患者患侧肌电信号解析出的动作意图信息作为康复机器人的控制信号，在康复机器人的辅助下完成肌肉力训练动作。实现基于表面肌电信号的康复机器人控制通常需要解决两个方面的问题:(1)表面肌电信号信息解析问题。将患者肌电信号中解析出的运动意图作为康复机器人的控制指令，肌电信号的解析准确程度将很大程度影响我们对康复机器人的控制效果。(2)康复机器人的柔顺控制问题。康复机器人需要与人体直接接触，设计主动柔顺控制方法实现更加安全舒适的人机交互。　　本文针对基于表面生物电信号的踝关节康复机器人柔顺控制系统展开研究，主要包含以下四个部分:　　(1)针对康复患者踝关节运动估计问题，首先根据患者的肌电特征信息估计出踝关节的运动类型，然后构建Hammerstein运动模型，将与患者踝关节运动相关肌肉产生的皮肤表面肌电信号作为模型输入，踝关节的实际运动角度作为运动模型的输出，采用改进的最小二乘法辨识Hammerstein运动模型参数，实现对踝关节运动的实时估计。　　(2)针对踝关节康复机器人的柔顺控制问题，设计双闭环控制系统，控制系统外环根据患者的关节力矩信息在线实时更新阻抗模型参数，实现自适应阻抗控制。控制系统内环基于数据驱动模型根据控制系统的输入与输出信号设计自校正PID控制实现精准的位置控制。　　(3)针对患者的康复评估问题，为了提升康复训练机器人的智能化程度，设计出一套基于康复功能评估的闭环康复训练策略。踝关节功能性障碍患者行走过程中表现为踝关节落地不稳，与正常人相比足底压力异常，基于这个特点提出一种检测多个足底压力点的异常检测方法，使用异常数据检测算法判断患者的运动障碍程度和踝关节功能恢复水平，根据康复功能评估结果分阶段周期性修改康复机器人的助力策略。　　（4）针对以上三个部分展开系统实验，对踝关节康复机器人采用本文的肌电识别、柔顺控制、康复评估方法在临床康复训练上的稳定性和有效性进行检验。

关键词： 手术机器人   力反馈   重力偏置滤除   柔顺控制  

摘要： 光学导航系统与手术机器人结合出现的术前影像规划、术中实时导航、靶区的精准定位等信息医疗技术可有效提高穿刺手术成功率、缩短手术时间。但目前的穿刺机器人反馈信息少、自动化程度不高,实际工作中仍需要医生很大程度的参与才能完成一场手术,且过程中仍存在操作臂抖动、穿刺过程中出现穿刺针形变等问题,不能避免呼吸运动等因素引起的靶区移动带来的影响。为使穿刺手术机器人达到更高的自动化水平,应对多种复杂穿刺环境,本文在前期光学定位机器人控制技术的研究基础上进一步研究了机器人力反馈相关技术。本文针对穿刺针在实际不同穿刺场景中的受力情况,设计了包含软、硬件的力反馈控制系统,研究了与系统相适应的夹具自重滤除算法和导纳控制算法,来适应、解决实际穿刺术中穿刺针受力异常问题,实现对穿刺针的零力跟随控制。具体研究内容如下:(1)机械臂光力控制平台的设计为实现具有手眼仿真程度的高自动化水平的手术穿刺机器人系统,本文在前期视觉伺服控制机械臂的研究基础上加入了力觉伺服控制,此技术方向所包含的研究内容有:机械臂末端穿刺针执持器的机械结构设计,用以完成对穿刺针的持握固定与穿刺引导;末端执持器的控制电路,用以完成穿刺针力信号采集与通讯和控制进针模组运动;上位机软件,用以协调机械臂与末端执持器的通讯、控制和部署相关算法。后经验证,此平台软硬件模块方案均可正常工作。(2)传感器负载重力偏置滤除执持器末端的的力传感器所挂载的夹具、穿刺针等重物会对穿刺针的应力数据采集产生严重影响,因此需重点考虑传感器所负载夹具的自重对接触力的干扰。此处首先采用机械臂的正逆运动学对机械臂末端任意姿态时传感器坐标系下的重力加速度的表示做解析,然后对实际自重质量参数做精确辨识,在比较了各种不同算法的优劣后,采用了最小二乘法并构造目标函数来对夹具的质量做参数辨识,最终结果,在穿刺针不受任何接触力的情况下,机械臂在任意姿态下传感器各方向平均读数可保持在0.08N以下。(3)零力跟随控制算法研究自重偏置滤除后,传感器可以采集到较为真实的针与组织间的接触力。由于所选用的机械臂位置控制功能完善,可直接在机械臂末端的笛卡尔坐标系空间进行运动规划,于是可在机械臂的末端笛卡尔坐标系进行导纳控制模型建模,将机械臂末端等效为空间阻尼系统构建基于位置控制的微分方程,将偏置滤除后的传感器所采集的接触力信号作为系统的输入,采用微分方程的数值法求解每一时刻的机械臂的零力补偿位姿。最终结果,机械臂可根据穿刺针的接触力补偿出新的位姿,并实时运动至新位姿,跟踪运动过程中实验对象与穿刺针的相互作用力小于1N,满足不切割伤害周围组织器官的条件,证实了此方案的有效性。本文较为完善的构建了力反馈控制系统,包括机械结构、控制电路、上下位机控制软件以及重力偏置算法与柔顺控制算法,为后续光力融合控制开发与活体动物实验奠定了良好基础。