專利名稱：適用于眼科顯微手術的并聯機構模態空間控制方法
技術領域：
本發明涉及醫學、控制及機械領域，具體是一種適用于眼科顯微手術的并聯機構模態空間控制方法。
背景技術：
六自由度并聯機構由于其具有工作空間不大但控制精度很高的特點，在醫學領域獲得了廣泛的應用，如2001年德國法蘭克福神經外科大學醫學院采用六自由度并聯機器人成功實施了腦積水封閉手術，醫生在計算機屏幕圖像的引導下，操縱并聯機器人的動作，該并聯機器人定位精度達0.01mm，完全避免了人工操作時可能出現的顫抖。此后，德國Humboldt University醫學院實驗室采用Delta并聯機器人也成功的對患者實施了腦科手術，此外T.Dohi等研制了用于腦外科手術的微操作并聯機器人，Northwestern大學的K.ff.Grace等則研制了用于眼球手術的六自由度并聯機械手。六自由度并聯機械手前景上可以用于白內障囊內切除、后囊拋光術，玻璃體切除術等，然而對于眼球手術及其嚴格的定位及軌跡跟蹤精度而言，并聯機構由于耦合特性造成的自由度耦合誤差嚴重限制了其在眼科手術中的應用。國內外學者針對并聯機構的耦合影響提出了許多控制方法，而模態空間控制控制方法由于其物理意義明確，可大幅擴展系統頻寬而受到了廣泛關注。該控制方法可將強耦合的多輸入多輸出(MIMO)六自由度并聯機構控制系統轉換為無耦合的單輸入單輸出(SISO)系統進行控制，其核心思想為將存在強耦合特性的自由度空間通過模態解耦陣U轉化為無耦合的模態空間，從而在模態空間內采用傳統控制理論對系統進行設計及控制。然而，目前模態空間控制器的應用局限在并聯機構在中位小范圍內運動，其原因是當六自由度并聯機構在大范圍全局工作空間運動時，模態解耦陣U隨著空間位姿而變化，而在位姿參數的影響下，會導致模態躍遷現象的發生，使得原系統相鄰模態間的順序發生改變。模態躍遷造成模態空間控制器各階模態控制參數與躍遷后對應模態不匹配現象，使得模態空間控制器控制特性變差甚至造成系統振蕩。為了解決模態躍遷問題，一種基于雅可比迭代方法的全局模態空間控制器已經提出，但這種方法在處理復合姿態運動時，其收斂速度較慢，導致控制器實時性變差。本發明提供了一種收斂速度快，適用于多處理器并行運算，實時性高的模態空間控制器。
發明內容
本發明的目的在于提供了一種適用于眼科顯微手術的并聯機構模態空間控制方法，具有收斂速度快，迭代次數少，實時性高的特點，顯微手術的六自由度并聯機構包括運動平臺、固定平臺、上連接鉸、下連接鉸和直線執行器，采用其核心技術為一種防止模態躍遷的模態解耦陣U實時數值迭代求解方法，設廣義頻率矩陣Ω = f(sx)由平臺中位時Ω。=f (SXtl)變為某一空間位姿處Ω T = f (SXt),我們要求矩陣Ω τ的特征值分解Ω T = Ut Σ U。
本發明采用以下技術方案予以實現:步驟1:初始化。根據六自由度并聯機構結構參數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為質心高度，H為上下平臺高度，m為負載質量，Ixx為負載繞X軸的轉動慣量，Iyy為負載繞Y軸的轉動慣量，Izz為負載繞Z軸的轉動慣量；計算初始模態頻率陣Σ及模態解耦陣U。I)計算初始模態頻率陣Σ:
權利要求
1.一種適用于眼科顯微手術的并聯機構模態空間控制方法，眼科顯微手術的并聯機構包括運動平臺、固定平臺、上連接鉸、下連接鉸和直線執行器，廣義頻率矩陣Ω = f(sx)由平臺中位時Qci = If(Sxci)變為某一空間位姿處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，根據六自由度并聯機構結構參數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為質心高度，H為上下平臺高度，m為負載質量，Ixx為負載繞X軸的轉動慣量，Iyy為負載繞Y軸的轉動慣量，Izz為負載繞Z軸的轉動慣量；計算初始模態頻率陣Σ及模態解耦陣U ； 1)計算初始模態頻率陣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)計算初始模態解耦陣U: U = [U1 U2 U3 U4 U5 U6]
全文摘要
本發明公開了一種適用于并行計算的六自由度并聯機構模態空間控制方法，將并聯機構在全局運動時的模態解耦陣求解問題轉化為非線性方程組的零值問題，在此基礎上構造了基于牛頓迭代思想的模態頻率及特征值迭代數值算法，該迭代算法收斂速度快，迭代次數少，且適用于多核處理器并行計算。采用該算法構成的全局模態空間控制器，不僅解決了六自由度并聯機構大范圍運動時的模態躍遷問題，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 優先權日2013年4月15日
發明者成瓊, 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