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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
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-26
  • 录用日期:  2016-12-16
  • 刊出日期:  2017-06-20

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