专利名称：适用于眼科显微手术的并联机构模态空间控制方法
技术领域：
本发明涉及医学、控制及机械领域，具体是一种适用于眼科显微手术的并联机构模态空间控制方法。
背景技术：
六自由度并联机构由于其具有工作空间不大但控制精度很高的特点，在医学领域获得了广泛的应用，如2001年德国法兰克福神经外科大学医学院采用六自由度并联机器人成功实施了脑积水封闭手术，医生在计算机屏幕图像的引导下，操纵并联机器人的动作，该并联机器人定位精度达0.01mm，完全避免了人工操作时可能出现的颤抖。此后，德国Humboldt University医学院实验室采用Delta并联机器人也成功的对患者实施了脑科手术，此外T.Dohi等研制了用于脑外科手术的微操作并联机器人，Northwestern大学的K.ff.Grace等则研制了用于眼球手术的六自由度并联机械手。六自由度并联机械手前景上可以用于白内障囊内切除、后囊抛光术，玻璃体切除术等，然而对于眼球手术及其严格的定位及轨迹跟踪精度而言，并联机构由于耦合特性造成的自由度耦合误差严重限制了其在眼科手术中的应用。国内外学者针对并联机构的耦合影响提出了许多控制方法，而模态空间控制控制方法由于其物理意义明确，可大幅扩展系统频宽而受到了广泛关注。该控制方法可将强耦合的多输入多输出(MIMO)六自由度并联机构控制系统转换为无耦合的单输入单输出(SISO)系统进行控制，其核心思想为将存在强耦合特性的自由度空间通过模态解耦阵U转化为无耦合的模态空间，从而在模态空间内采用传统控制理论对系统进行设计及控制。然而，目前模态空间控制器的应用局限在并联机构在中位小范围内运动，其原因是当六自由度并联机构在大范围全局工作空间运动时，模态解耦阵U随着空间位姿而变化，而在位姿参数的影响下，会导致模态跃迁现象的发生，使得原系统相邻模态间的顺序发生改变。模态跃迁造成模态空间控制器各阶模态控制参数与跃迁后对应模态不匹配现象，使得模态空间控制器控制特性变差甚至造成系统振荡。为了解决模态跃迁问题，一种基于雅可比迭代方法的全局模态空间控制器已经提出，但这种方法在处理复合姿态运动时，其收敛速度较慢，导致控制器实时性变差。本发明提供了一种收敛速度快，适用于多处理器并行运算，实时性高的模态空间控制器。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种适用于眼科显微手术的并联机构模态空间控制方法，具有收敛速度快，迭代次数少，实时性高的特点，显微手术的六自由度并联机构包括运动平台、固定平台、上连接铰、下连接铰和直线执行器，采用其核心技术为一种防止模态跃迁的模态解耦阵U实时数值迭代求解方法，设广义频率矩阵Ω = f(sx)由平台中位时Ω。=f (SXtl)变为某一空间位姿处Ω T = f (SXt),我们要求矩阵Ω τ的特征值分解Ω T = Ut Σ U。
本发明采用以下技术方案予以实现:步骤1:初始化。根据六自由度并联机构结构参数ra, rb, α，β，h, m, Ixx, Iyy, Izz ；&为上铰圆半径，rb为下铰圆半径，α、β分别为上下平台相邻铰点短边半中心角，h为质心高度，H为上下平台高度，m为负载质量，Ixx为负载绕X轴的转动惯量，Iyy为负载绕Y轴的转动惯量，Izz为负载绕Z轴的转动惯量；计算初始模态频率阵Σ及模态解耦阵U。I)计算初始模态频率阵Σ:
权利要求
1.一种适用于眼科显微手术的并联机构模态空间控制方法，眼科显微手术的并联机构包括运动平台、固定平台、上连接铰、下连接铰和直线执行器，广义频率矩阵Ω = f(sx)由平台中位时Qci = If(Sxci)变为某一空间位姿处Ωτ = f(sxT),要求矩阵Ωτ的特征值分解Ωτ = Ut Σ U ;其特征在于，采用如下步骤: 步骤1:初始化，根据六自由度并联机构结构参数ra, rb, α，β，h, m, Ixx, Iyy, Izz ；ra为上铰圆半径，rb为下铰圆半径，α、β分别为上下平台相邻铰点短边半中心角，h为质心高度，H为上下平台高度，m为负载质量，Ixx为负载绕X轴的转动惯量，Iyy为负载绕Y轴的转动惯量，Izz为负载绕Z轴的转动惯量；计算初始模态频率阵Σ及模态解耦阵U ； 1)计算初始模态频率阵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)计算初始模态解耦阵U: U = [U1 U2 U3 U4 U5 U6]
全文摘要
本发明公开了一种适用于并行计算的六自由度并联机构模态空间控制方法，将并联机构在全局运动时的模态解耦阵求解问题转化为非线性方程组的零值问题，在此基础上构造了基于牛顿迭代思想的模态频率及特征值迭代数值算法，该迭代算法收敛速度快，迭代次数少，且适用于多核处理器并行计算。采用该算法构成的全局模态空间控制器，不仅解决了六自由度并联机构大范围运动时的模态跃迁问题，而且使得控制器运算效率大大提高。
文档编号G05B13/04GK103197563SQ201310129019
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者成琼, 郑玲, 胡颖, 韩育珍, 姚春燕, 黄橙赤, 刘超, 田体先 申请人:成琼, 郑玲