【摘 要】
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骨科手术机器人具有伤口创面更小、康复时间更短、操作更精确等优点,在医疗领域受到广泛关注。但是骨科手术机器人操作复杂、医患安全无法得到保证等问题没有完全解决,因此降低骨科手术机器人的操作难度、提升骨科手术机器人定位精度以及确保手术安全性,是进一步推广骨科手术机器人的重中之重。基于此,本文采用零力控制技术与碰撞检测策略,对骨科手术机器人整体的柔顺性和安全性展开了研究,主要研究内容与结论包括以下几个方面
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骨科手术机器人具有伤口创面更小、康复时间更短、操作更精确等优点,在医疗领域受到广泛关注。但是骨科手术机器人操作复杂、医患安全无法得到保证等问题没有完全解决,因此降低骨科手术机器人的操作难度、提升骨科手术机器人定位精度以及确保手术安全性,是进一步推广骨科手术机器人的重中之重。基于此,本文采用零力控制技术与碰撞检测策略,对骨科手术机器人整体的柔顺性和安全性展开了研究,主要研究内容与结论包括以下几个方面:（1）骨科手术机器人运动学和动力学仿真和分析。基于MDH法构建自研5轴骨科手术机器人运动学模型并进行正、逆运动学分析以及雅克比矩阵的推导。利用MATLAB机器人工具箱验证了正、逆运动学求解的正确性以及工作空间的合理性。基于牛顿欧拉法推导骨科手术机器人动力学方程,并通过ADAMS仿真平台验证了骨科手术机器人动力学建模的正确性;（2）机器人关节零力控制研究。对比分析零力控制两种实现方式,结合本课题要求,最终确定基于力矩控制的零力控制,进而提出重力项和摩擦力项参数辨识方法。针对机器人关节系统中的摩擦力模型,采用Lu Gre模型并提出一种基于OBL-SAMPSO算法的Lu Gre摩擦力参数辨识方法,SIMULINK仿真表明:所提出的OBL-SAMPSO算法与传统PSO算法相比,整体误差平均下降85.86%,在此基础上,搭建了基于Twin CAT3的单关节柔顺拖动实验平台,实验表明:本文所提出的零力控制算法具有较好的柔顺性;（3）机器人关节碰撞检测研究。基于广义动量构造机器人关节碰撞力矩观测器,该方法的优点在于只需读取电机的驱动力矩和位置信息即可实现机器人碰撞检测,针对广义动量观测器进行分析优化从而实现对突然碰撞的检测。此外,考虑实际应用下的碰撞检测算法,对其进行离散化处理。基于单关节实验平台实现了基于广义动量观测器的碰撞检测,验证了优化后算法的可行性;（4）骨科手术机器人整体柔顺拖动技术研究。考虑骨科手术机器人带负载操作,建立骨科手术机器人负载动力学模型,基于ADAMS仿真平台验证了骨科手术机器人负载动力学的正确性。基于ADAMS和SIMULINK搭建骨科手术机器人零力控制联合仿真,仿真结果表明:拖动外力远远小于人手臂能够提供的力矩,验证了骨科手术机器人零力拖动控制算法的可行性;（5）骨科手术机器人整体碰撞检测策略研究。基于广义动量观测器构造骨科手术机器人整体碰撞检测。针对碰撞后处理,对比三种安全策略。在此基础上基于ADAMS和SIMULINK完成了骨科手术机器人碰撞检测的联合仿真,验证了基于动量观测器的骨科手术机器人碰撞检测的可行性,并分析了增益系数对观测器的影响,Kr取值越大,Ks取值越小,本文所改进的动量观测器估计的碰撞力矩越接近实际的外部碰撞力矩。
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