形狀記憶合金驅(qū)動導管機器人的運動控制研究.pdf

1、傳統(tǒng)的導管遠端具有特殊的形狀，在插管過程中不能改變。由于人體血管分支較多，這種導管對操作技術要求過高，而且容易引發(fā)錯誤和重復操作，增加對人體血管的損傷。目前，出現(xiàn)了多種能夠在三維空間主動選擇方向的導管機器人，其中形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)驅(qū)動的導管機器人成功地進行了測試，但有關的研究主要集中在設計和加工工藝方面，本文對其動態(tài)特性進行了研究。建立了單SMA螺旋彈簧驅(qū)動和雙SMA螺旋彈簧驅(qū)動導管機器人的動

2、力學模型，并分別實現(xiàn)了對這兩種導管機器人的運動控制。主要包括：單SMA驅(qū)動器和雙SMA驅(qū)動器動力學建模、單SMA驅(qū)動導管機器人的PID和模糊PID控制、雙SMA驅(qū)動導管機器人的雙輸入雙輸出(Two-input Two-output, TITO)PID控制與TITO模糊控制。
　　在對機器人彎曲軸線進行圓弧假設的基礎上，結(jié)合SMA的本構(gòu)方程以及傳熱方程，建立了單SMA驅(qū)動導管機器人的動力學模型。通過仿真和實驗對所推導的模型能否描述這

3、種SMA驅(qū)動結(jié)構(gòu)的特性進行了驗證。對多驅(qū)動器驅(qū)動導管機器人的力學方程進行了推導，結(jié)合單SMA驅(qū)動導管機器人的模型，建立了雙SMA驅(qū)動導管機器人的動力學模型，并通過仿真對其進行了驗證。
　　研究了單SMA驅(qū)動導管機器人的運動控制方法。針對系統(tǒng)方程高度耦合不能進行拉普拉斯變換獲得傳遞函數(shù)以及 SMA驅(qū)動器存在高度非線性的特點，分別采用了傳統(tǒng)PID和參數(shù)自整定模糊PID控制方法，并對系統(tǒng)仿真結(jié)果進行了比較。PID控制器采用Z-N參數(shù)整定

4、法獲得PID控制器的各個控制參數(shù)，簡單易行；模糊PID結(jié)合了PID和模糊控制的優(yōu)點，通過模糊控制對PID的三個參數(shù)進行自整定調(diào)節(jié)。
　　研究了雙SMA驅(qū)動導管機器人的運動控制方法。針對系統(tǒng)的2個自由度存在強的耦合特性，分別采用了TITO PID和TITO模糊控制的方法，并對系統(tǒng)仿真結(jié)果進行了比較。對于TITO PID控制器，通過分析兩個驅(qū)動器的電壓與偏轉(zhuǎn)角度之間存在的關系，提出了電壓比例分配函數(shù)的概念，利用一個PI控制器對這種關系