專利名稱：適用于眼科顯微手術(shù)的并聯(lián)機構(gòu)模態(tài)空間控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)、控制及機械領(lǐng)域，具體是一種適用于眼科顯微手術(shù)的并聯(lián)機構(gòu)模態(tài)空間控制方法。
背景技術(shù)：
六自由度并聯(lián)機構(gòu)由于其具有工作空間不大但控制精度很高的特點，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，如2001年德國法蘭克福神經(jīng)外科大學(xué)醫(yī)學(xué)院采用六自由度并聯(lián)機器人成功實施了腦積水封閉手術(shù)，醫(yī)生在計算機屏幕圖像的引導(dǎo)下，操縱并聯(lián)機器人的動作，該并聯(lián)機器人定位精度達(dá)0.01mm，完全避免了人工操作時可能出現(xiàn)的顫抖。此后，德國Humboldt University醫(yī)學(xué)院實驗室采用Delta并聯(lián)機器人也成功的對患者實施了腦科手術(shù)，此外T.Dohi等研制了用于腦外科手術(shù)的微操作并聯(lián)機器人，Northwestern大學(xué)的K.ff.Grace等則研制了用于眼球手術(shù)的六自由度并聯(lián)機械手。六自由度并聯(lián)機械手前景上可以用于白內(nèi)障囊內(nèi)切除、后囊拋光術(shù)，玻璃體切除術(shù)等，然而對于眼球手術(shù)及其嚴(yán)格的定位及軌跡跟蹤精度而言，并聯(lián)機構(gòu)由于耦合特性造成的自由度耦合誤差嚴(yán)重限制了其在眼科手術(shù)中的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者針對并聯(lián)機構(gòu)的耦合影響提出了許多控制方法，而模態(tài)空間控制控制方法由于其物理意義明確，可大幅擴展系統(tǒng)頻寬而受到了廣泛關(guān)注。該控制方法可將強耦合的多輸入多輸出(MIMO)六自由度并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為無耦合的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其核心思想為將存在強耦合特性的自由度空間通過模態(tài)解耦陣U轉(zhuǎn)化為無耦合的模態(tài)空間，從而在模態(tài)空間內(nèi)采用傳統(tǒng)控制理論對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及控制。然而，目前模態(tài)空間控制器的應(yīng)用局限在并聯(lián)機構(gòu)在中位小范圍內(nèi)運動，其原因是當(dāng)六自由度并聯(lián)機構(gòu)在大范圍全局工作空間運動時，模態(tài)解耦陣U隨著空間位姿而變化，而在位姿參數(shù)的影響下，會導(dǎo)致模態(tài)躍遷現(xiàn)象的發(fā)生，使得原系統(tǒng)相鄰模態(tài)間的順序發(fā)生改變。模態(tài)躍遷造成模態(tài)空間控制器各階模態(tài)控制參數(shù)與躍遷后對應(yīng)模態(tài)不匹配現(xiàn)象，使得模態(tài)空間控制器控制特性變差甚至造成系統(tǒng)振蕩。為了解決模態(tài)躍遷問題，一種基于雅可比迭代方法的全局模態(tài)空間控制器已經(jīng)提出，但這種方法在處理復(fù)合姿態(tài)運動時，其收斂速度較慢，導(dǎo)致控制器實時性變差。本發(fā)明提供了一種收斂速度快，適用于多處理器并行運算，實時性高的模態(tài)空間控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種適用于眼科顯微手術(shù)的并聯(lián)機構(gòu)模態(tài)空間控制方法，具有收斂速度快，迭代次數(shù)少，實時性高的特點，顯微手術(shù)的六自由度并聯(lián)機構(gòu)包括運動平臺、固定平臺、上連接鉸、下連接鉸和直線執(zhí)行器，采用其核心技術(shù)為一種防止模態(tài)躍遷的模態(tài)解耦陣U實時數(shù)值迭代求解方法，設(shè)廣義頻率矩陣Ω = f(sx)由平臺中位時Ω。=f (SXtl)變?yōu)槟骋豢臻g位姿處Ω T = f (SXt),我們要求矩陣Ω τ的特征值分解Ω T = Ut Σ U。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):步驟1:初始化。根據(jù)六自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)ra, rb, α，β，h, m, Ixx, Iyy, Izz ；&為上鉸圓半徑，rb為下鉸圓半徑，α、β分別為上下平臺相鄰鉸點短邊半中心角，h為質(zhì)心高度，H為上下平臺高度，m為負(fù)載質(zhì)量，Ixx為負(fù)載繞X軸的轉(zhuǎn)動慣量，Iyy為負(fù)載繞Y軸的轉(zhuǎn)動慣量，Izz為負(fù)載繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量；計算初始模態(tài)頻率陣Σ及模態(tài)解耦陣U。I)計算初始模態(tài)頻率陣Σ:
權(quán)利要求
1.一種適用于眼科顯微手術(shù)的并聯(lián)機構(gòu)模態(tài)空間控制方法，眼科顯微手術(shù)的并聯(lián)機構(gòu)包括運動平臺、固定平臺、上連接鉸、下連接鉸和直線執(zhí)行器，廣義頻率矩陣Ω = f(sx)由平臺中位時Qci = If(Sxci)變?yōu)槟骋豢臻g位姿處Ωτ = f(sxT),要求矩陣Ωτ的特征值分解Ωτ = Ut Σ U ;其特征在于，采用如下步驟: 步驟1:初始化，根據(jù)六自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)ra, rb, α，β，h, m, Ixx, Iyy, Izz ；ra為上鉸圓半徑，rb為下鉸圓半徑，α、β分別為上下平臺相鄰鉸點短邊半中心角，h為質(zhì)心高度，H為上下平臺高度，m為負(fù)載質(zhì)量，Ixx為負(fù)載繞X軸的轉(zhuǎn)動慣量，Iyy為負(fù)載繞Y軸的轉(zhuǎn)動慣量，Izz為負(fù)載繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量；計算初始模態(tài)頻率陣Σ及模態(tài)解耦陣U ； 1)計算初始模態(tài)頻率陣Σ: Σ —[入I入2入3入4入5入6] ^(vix+V12J+I^iy +I2nlx -((^-(Vfy-V12J+ I^lx -1^iy)2+4(p-VlyVlx-1nlxInly)2)2 4 =士 (νι2χ + viy)+1Hiy + ,L +((^(Vfy -vfJ+ I^lx -1^ly)2 +4(p-vlyVlx-1nlxInly)2)2 m aS= 士 (vix + vIy )+ *niy + 1L - ((^1- (vfy -vfx) + I^x -1^ly)2 + 4(-^- VlyVlx - lnlxl iy)2)2 VyyLyylyy> ^-p(vi2x+vfy)+^ly +1L + ((γ1-(vfy - vfj + I^lx -1"ty)2 + 4(^- VlyVlx -1nlJnly)2)2 其中: Vlx — lnlzaiy_lnlyaiz Vly — lnlxaiz_lnlzaix Vlz 一 InlyaIx-1nlxaIy1,1 = tnlx 'nly 1HlzF= raC0Sa ~ rbCOS[y ~ ^ 一》_'sill J --H jLact Kct ~ JrB2 + rb ~2rB^bcosCy -α-β) + Η2ai = [alx aly alz]T = [racos a -rasina h]T 2)計算初始模態(tài)解耦陣U: U = [U1 U2 U3 U4 U5 U6]
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于并行計算的六自由度并聯(lián)機構(gòu)模態(tài)空間控制方法，將并聯(lián)機構(gòu)在全局運動時的模態(tài)解耦陣求解問題轉(zhuǎn)化為非線性方程組的零值問題，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于牛頓迭代思想的模態(tài)頻率及特征值迭代數(shù)值算法，該迭代算法收斂速度快，迭代次數(shù)少，且適用于多核處理器并行計算。采用該算法構(gòu)成的全局模態(tài)空間控制器，不僅解決了六自由度并聯(lián)機構(gòu)大范圍運動時的模態(tài)躍遷問題，而且使得控制器運算效率大大提高。
文檔編號G05B13/04GK103197563SQ201310129019
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者成瓊, 鄭玲, 胡穎, 韓育珍, 姚春燕, 黃橙赤, 劉超, 田體先 申請人:成瓊, 鄭玲