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基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿

陈翔 黄龙 杨洋

陈翔, 黄龙, 杨洋等 . 基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(6): 1231-1238. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0455
引用本文: 陈翔, 黄龙, 杨洋等 . 基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(6): 1231-1238. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0455
CHEN Xiang, HUANG Long, YANG Yanget al. Gravity compensation of an intraocular surgery robot based on computed torque method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(6): 1231-1238. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0455(in Chinese)
Citation: CHEN Xiang, HUANG Long, YANG Yanget al. Gravity compensation of an intraocular surgery robot based on computed torque method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(6): 1231-1238. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0455(in Chinese)

基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0455
基金项目: 

国家自然科学基金 51175013

详细信息
    作者简介:

    陈翔,男, 硕士研究生。主要研究方向:医疗机器人技术、机器人控制理论

    黄龙,男, 博士研究生。主要研究方向:机器人机构学、医疗机器人技术

    杨洋,男, 博士, 教授, 博士生导师; 主要研究方向:机器人机构学、医疗机器人技术、精密机械设计

    通讯作者:

    杨洋, E-mail: 07288@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: TH113;TP242

Gravity compensation of an intraocular surgery robot based on computed torque method

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51175013

More Information
  • 摘要:

    为了提高一种具有远程运动中心(RCM)机构的眼内手术机器人的定位精度和稳定性,在建立机器人坐标系的基础上,通过动力学等效,对机器人各构件质心瞬态位置进行分析。根据拉格朗日方程建立机器人动力学模型。提出基于计算力矩法的重力补偿方法。在此基础上,通过MATLAB/Simulink软件对重力补偿模型进行仿真。比较独立比例微分(PD)控制方法及重力补偿方法的各关节运动响应曲线,表明重力补偿模型可有效补偿重力项;同时,分析重力补偿模型响应曲线与期望曲线的误差,证明重力补偿模型具有较高的补偿精度和可行性。

     

  • 图 1  基于RCM机构的眼内手术机器人示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of intraocular surgery robotbased on RCM mechanism

    图 2  眼内手术机器人坐标系示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of coordinate system ofintraocular surgery robot

    图 3  3自由度RCM机构简图

    Figure 3.  Diagram of 3 degrees of freedom RCM mechanism

    图 4  等效后的RCM机构简图

    si—各构件质心相对于转动关节的矢径的模;θi—关节变量;φi—与构件i质心矢径相对x′轴角度有关的参数。

    Figure 4.  Equivalent diagram of RCM mechanism

    图 5  重力补偿模型结构框图

    Figure 5.  Structure diagram of gravity compensation model

    图 6  机器人系统驱动力矩变化曲线

    Figure 6.  Driving torque variation curves of robot system

    图 7  独立PD控制模型结构框图

    Figure 7.  Structure diagram of independent PD control model

    图 8  独立PD控制模型响应曲线

    Figure 8.  Response curves of independent PD control model

    图 9  基于计算力矩法的重力补偿模型响应曲线

    Figure 9.  Response curves of gravity compensation model based on computed torque method

    图 10  重力补偿模型期望曲线与响应曲线的差值

    Figure 10.  Difference between expected curves and response curves of gravity compensation model

    表  1  机器人系统D-H参数

    Table  1.   D-H parameters of robot system

    i zi-1zi沿
    xi-1距离ai-1
    zi-1zi
    xi-1角度αi-1
    xi-1xi
    沿zi距离di
    xi-1xi
    zi角度θi
    1 0 0 d1 ψ1
    2 a1 0 d2 ψ2
    3 a2 0 d3 -90°
    4 0 -90° L -90°+θ3
    5 0 -90° 0 θ2
    6 0 0 d6 0
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    表  2  各关节响应曲线的调节时间

    Table  2.   Adjusting time of response curve of each joint

    误差带 关节变量 调节时间/s
    计算力矩法 PD控制模型
    ±2% θ1 1.9 2.0
    θ2 1.9 2.1
    θ3 2.4 2.6
    ±5% θ1 1.4 1.7
    θ2 1.5 1.6
    θ3 2.3 2.4
    下载: 导出CSV
  • [1] WEI W, GOLDMAN R, SIMAAN N, et al.Design and theoretical evaluation of micro-surgical manipulators for orbital manipulation and intraocular dexterity[C]//2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway, NJ:IEEE Press, 2007:3389-3395.
    [2] 肖晶晶, 杨洋, 沈丽君, 等.视网膜血管搭桥手术机器人系统的研究[J].机器人, 2014, 36(3):293-299. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JQRR201403006.htm

    XIAO J J, YANG Y, SHEN L J, et al.A robotic system for retinal vascular bypass surgery[J].Journal of Robotics, 2014, 36(3):293-299(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JQRR201403006.htm
    [3] BECKER B C.Vision-based control of a handheld micromanipulator for robot-assisted retinal surgery[D].Pittsburgh:Carnegie Mellon University, 2012.
    [4] 裴旭, 于靖军, 毕树生, 等.一维远程运动中心机构的型综合[J].机械工程学报, 2009, 45(2):144-148. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB200902027.htm

    PEI X, YU J J, BI S S, et al.Type synthesis for one-dimensional remote-center-of motion mechanisms[J].Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(2):144-148(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB200902027.htm
    [5] 黄龙, 杨洋, 苏鹏, 等.1R1T远程运动中心机构的型综合[J].机械工程学报, 2015, 51(13):131-136. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201513014.htm

    HUANG L, YANG Y, SU P, et al.Type synthesis of 1R1T remote center of motion mechanisms[J].Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(13):131-136(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201513014.htm
    [6] GIJBELS A, WOUTERS N, STALMANS P, et al.Design and realisation of a novel robotic manipulator for retinal surgery[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS), 2013.Piscataway, NJ:IEEE Press, 2013:3598-3603.
    [7] GIJBELS A, VANDER POORTEN E B, STALMANS P, et al.Design of a teleoperated robotic system for retinal surgery[C]//2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA).Piscataway, NJ:IEEE Press, 2014:2357-2363.
    [8] 肖晶晶, 杨洋, 李大寨, 等.眼科显微手术机器人研究进展及关键技术分析[J].机械工程学报, 2013, 49(1):15-22. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201301004.htm

    XIAO J J, YANG Y, LI D Z, et al.Advances and key techniques of ophthalmic microsurgical robots[J].Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(1):15-22(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201301004.htm
    [9] 蔡自兴.机器人学基础[M].北京:机械工业出版社, 2009:6.

    CAI Z X.Fundamentals of robotics[M].Beijing:China Machine Press, 2009:6(in Chinese).
    [10] LIU X, LI H, WANG J, et al.Dynamics analysis of flexible space robot with joint friction[J].Aerospace Science and Technology, 2015, 47:164-176. doi: 10.1016/j.ast.2015.09.030
    [11] 刘善增, 余跃庆, 刘庆波, 等.3-R RC并联机器人动力学分析[J].机械工程学报, 2009, 45(5):220-224. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGVE200100002168.htm

    LIU S Z, YU Y Q, LIU Q B, et al.Dynamic analysis of 3-R RC parallel manipulator[J].Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(5):220-224(in Chinese). http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGVE200100002168.htm
    [12] DE LUCA A, SICILIANO B, ZOLLO L.PD control with on-line gravity compensation for robots with elastic joints:Theory and experiments[J].Automatica, 2005, 41(10):1809-1819. doi: 10.1016/j.automatica.2005.05.009
    [13] 龚捷, 鲍金锋, 衣冠超, 等.基于计算力矩法的装载机工作装置轨迹控制[J].机械工程学报, 2010, 46(13):141-146. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201013022.htm

    GONG J, BAO J F, YI G C, et al.Trajectory-following control for manipulator of wheel loaders based on computed torque[J].Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(13):141-146(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXXB201013022.htm
    [14] 唐新星, 侯敬巍, 倪涛, 等.在线重力补偿下工程机器人自主作业轨迹跟踪性能分析[J].农业工程学报, 2013, 29(3):30-37. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYGU201303007.htm

    TANG X X, HOU J W, NI T, et al.Analysis on autonomous task trajectory tracking performance of construction robot with online gravity compensation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(3):30-37(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NYGU201303007.htm
    [15] CRAIG J J. Introduction to robotics:Mechanics and control[M].Upper Saddle River:Pearson Prentice Hall, 2005:62-100.
    [16] 宗光华, 裴旭, 于靖军, 等.双平行四杆型远程运动中心机构的设计[J].机械工程学报, 2007, 43(12):103-108. doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2007.12.020

    ZONG G H, PEI X, YU J J, et al.Design of double parallelogram remote-center-of-motion mechanisms[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(12):103-108(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2007.12.020
    [17] 霍伟.机器人动力学与控制[M].北京:高等教育出版社, 2005:124-140.

    HUO W.Robot dynamics and control[M].Beijing:Higher Education Press, 2005:124-140(in Chinese).
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-26
  • 录用日期:  2016-12-16
  • 网络出版日期:  2017-06-20

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