引用本文

梁旭, 苏婷婷, 侯增广, 刘圣达, 章杰, 何广平. 基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化. 自动化学报, 2023, 49(5): 1099−1115 doi: 10.16383/j.aas.c210963

Liang Xu, Su Ting-Ting, Hou Zeng-Guang, Liu Sheng-Da, Zhang Jie, He Guang-Ping. A multi-objective internal preload optimization method of redundantly actuated parallel robots based on variable impedance control. Acta Automatica Sinica, 2023, 49(5): 1099−1115 doi: 10.16383/j.aas.c210963

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c210963

关键词

冗余驱动，并联机器人，时变阻抗控制，间隙消除，多目标优化 

摘要

由于冗余驱动的存在, 冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解, 这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力. 以实现骨科机器人的安全精准操控为目的, 提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法. 首先, 采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模. 其次, 为实现机器人的安全操作, 设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器, 利用李雅普诺夫理论分析了系统的稳定性; 在此基础上, 以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务, 提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法. 最后, 通过仿真实验与对比分析, 验证了所提方法的有效性, 实现了机器人系统传动间隙的消除.

文章导读

随着现代社会人口老龄化程度的不断加深、交通工具的广泛应用、人们生活工作方式的不断变化, 骨科疾病已成为普通民众的常见病和多发病, 严重影响人们生活质量[1]. 为改善传统骨科手术操作不稳定、抗疲劳性弱等难题, 避免手术中因疲劳、生理震颤等原因导致的手术操作不确定性, 将先进机器人技术用于骨科手术领域, 可提高手术操作精准性和安全性, 保证手术成功率, 帮助患者早日康复. 骨科领域著名机器人系统有SpineAssist、ROSA、天玑、RoboDoc、Mako、RAFS等, 其中串联机器人、并联机器人和混联机器人均有. 传统骨科机器人常采用刚性串联工业机器人, 各连杆串联连接, 导致误差累积使得定位精度相对较低, 且单个关节故障容易导致机械臂末端出现较大偏差, 故障概率相对较高, 同时难以为机械臂的整臂位形空间提供接触力感知能力, 且承载能力相对较差, 安全性难以保证. 近年来已有学者研究基于并联机器人的骨科手术机器人[2-3]. 与一般的串联工业机器人相比, 并联机器人[4]具有刚度高、负载能力强、结构稳定以及操作精度高等优点[5-7], 这些优点扩展了机器人的应用领域, 使其不仅广泛应用于工业领域[8-9], 还在电子医药、医疗手术等领域发挥重要作用[10-11]. 并联机器人由多个分支并联连接, 定位精度相对较高, 单一关节故障通常不会导致机器人末端出现较大偏差, 且承载能力相对较好, 因此安全性也相对较高. 目前, 并联机器人和串并混联机器人构型正在成为骨科手术机器人的一大研究方向.

基于并联机构的骨科机器人常用于磨骨/钻骨/削骨、骨折复位及固定、脊柱外科、微创骨科等骨科手术领域[12-13], 这些领域需要机器人实现安全精准的手术操作, 具体如下.

1)在磨骨/削骨/钻骨领域: 目前已有文献研究手持式并联机器人并将其用于骨科钻骨领域[2]. 骨科机器人系统应为骨科患者提供精准的骨骼磨削/切削/钻骨等操作, 不恰当的磨削/切削会影响骨科手术操作精度, 可能导致骨骼错位、炎症等. 因此需要对不同的骨质进行不同的刚度/力控制, 这有利于改善内固定物与骨骼的排列与分布, 帮助患者治疗部位的愈合和保护, 提高骨科机器人的安全性.

2)在复位/定位领域: 骨折复位包括股骨骨折、骨盆骨折、胫骨骨折等. 已有研究将并联机器人用于骨折复位/定位领域, 如文献[14]将一种基于标准Stewart平台的新型并联机器人用于牵引台进行股骨骨折复位, 该机器人的定平台将骨折受伤部位固定, 动平台带动腿部实现骨折另一端的牵引, 系统可实现对骨折复位和对齐的定量控制. 类似机构还有基于Stewart-Gough平台的新型骨折复位机器人[15], 基于hexapod平台的新型骨折复位机器人[16]等. 北京航空航天大学研制的双平面机器人针对胫骨髓内钉手术、股骨髓内钉手术、股骨颈空心钉手术和骨盆骶髂关节螺钉手术这4种骨科适应症进行了应用研究[17], 该机器人系统采用的是模块化并联结构, 静平台、动平台和支链均可随时拆卸和安装, 通过不同机械结构辅助可以满足不同骨科手术适应症的需求. 骨科复位对机器人的力学性能如刚度、力度有较高的要求. 因此需研究并联骨科机器人力学性能改善方法以提高系统的安全性.

3)在脊柱外科领域: Mazor Robotics公司研制了SpineAssist及Renaissance机器人系统, 其基于六自由度Stewart并联构型, 系统结构紧凑、占用空间小, 目前可实现活检、脊柱侧弯矫正、脊椎融合术、椎弓根置钉等手术[18-19]. 文献[19]将Renaissance机器人系统用于辅助医生进行椎弓根置钉手术. 在脊柱外科领域, 脊柱侧凸是常见的脊柱畸形疾病, 通常认为脊柱侧凸的特征是脊柱刚度的异常空间变化, 而侧弯压力可以矫正脊柱侧凸, 因此可将并联机构作为一个工具为脊柱提供横向负荷使脊柱逐步恢复, 这需要机器人在手术操作中动态调整其力操作性能, 以实现安全精准操作, 提高脊柱的稳定性.

4)在微创骨科领域: 目前已有研究将连续体机器人用于微创骨科介入治疗手术, 而现有连续体机器人单段常为冗余驱动并联机器人. 文献[20]通过连续体机器人的主动转向灵活性实现微创骨科介入治疗中的铣削和弯曲钻孔, 最大限度减少对健康组织的切割. 由于连续体机器人常用于内窥/狭小空间手术领域, 操作空间受限, 通常需要进行力控制, 因此研究可实现该操作的控制方法. 此外还有研究机构利用并联机器人在有限工作空间内的高精度、高灵活性的操作特点, 将六自由度并联机器人应用于关节镜/腹腔镜手术定位[21].

5)在整形辅助骨科领域: 已有机构研发了整形辅助机器人CRIGOS, 该骨科机器人系统在其动平台处安装了一个穿刺针, 可用于骨科关节修复等手术[22]. 该机器人系统也需实现手术操作中的安全精准控制.

上述骨科手术机器人应用领域均需实现骨科机器人的安全精准操作. 已有研究表明, 采用冗余驱动方式, 可以改善并联机器人力矩传递性能, 调整机构刚度, 优化驱动器间的负载分配, 消除传动间隙等[23-25]. 本文拟研究基于冗余驱动方案的并联机器人内力优化方法以提高机器人操作精度; 研究阻抗控制方法以提高机器人的安全性和可靠性, 改善力操作性能, 实现安全交互操作.

已有研究表明利用机器人的冗余性可以实现更多的附加任务[26]. 因为冗余驱动的存在, 基于冗余驱动并联机构的骨科机器人的逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解, 这使得系统在完成轨迹和力跟踪任务的同时, 还具有完成附加任务的能力. 并联机器人无累计误差[10], 可以实现高精度运动, 但机器人运动过程中的传动间隙一定程度上降低了机器人精度. 因此研究以消除运动过程中传动间隙为附加任务的内力优化方法. 文献[27]提出了一种冗余驱动并联机器人基于预载力矩优化的消除传动间隙控制方法, 该方法下机器人满足了消除传动间隙的条件. 文献[28]提出了一种基于冗余驱动Stewart机器人的消除传动间隙的优化控制方法, 通过放大无间隙约束条件进行合理的流程作业控制避开间隙区, 该方法提高了机器人的操作精度.

骨科机器人操作对象组织硬度变化范围较大, 骨骼力学性能受年龄大小、身高、性别以及运动量等因素的影响有所不同, 机器人需要具备一定的力操作能力, 以适应复杂空间操作环境. 已有研究对冗余驱动并联机器人采用力位混合控制方法, 但是力位混合控制只能实现力位解耦操作[29]. 阻抗控制可以实现力位耦合约束操作任务, 可分为固定阻抗控制和时变阻抗控制[30]. 以往学者较多研究固定阻抗控制方法, 该方法下期望闭环阻抗控制系统的刚度、阻尼和惯性矩阵均为定常矩阵[31]. 然而在很多骨科手术操作中, 机器人的刚度需要动态变化. 此时使用固定阻抗控制难以满足系统要求, 甚至可能对患者造成伤害; 采用时变阻抗控制则可根据实际任务调节机器人运动与接触力之间的动态关系, 以保证系统满足期望的时变刚度和交互力, 实现良好的动态交互性能, 进而处理手术过程中的不同骨质结构情况, 改善机器人力学性能, 减少医源性伤害, 提高系统的安全性.

基于上述研究, 为实现基于冗余驱动并联机构的骨科机器人的安全精准操作, 本文首次提出了一种基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法. 1)首先研究时变阻抗控制器, 传统力位混合控制只能解决力位解耦问题; 传统定常阻抗控制不能动态调节阻抗参数; 已有部分时变阻抗控制器面向具体作业任务开展时变阻抗轨迹规划研究; 已有部分时变阻抗控制器通过试验验证其稳定性而缺少严谨的理论证明、难以借鉴推广. 本文提出了一种冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器用以保证骨科机器人的安全交互性能, 所提控制器设计简便、可直接给出控制器参数, 无需复杂的求解, 易于实现. 2)冗余驱动并联机器人系统的逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解, 这使得系统在完成轨迹跟踪任务的同时, 还具有完成附加任务的能力. 为提高并联机器人操作精度, 研究冗余驱动并联机器人不影响其末端执行器运动的拮抗内力优化方法. 以往研究主要考虑单一性能指标的优化, 本文创新性提出了以机器人力矩传递性能、驱动器驱动功率和控制力为优化目标的可消除传动间隙的多目标内力优化方法. 3)传统机器人的驱动空间与位形空间这两个不同维空间点之间为一一可逆映射, 而冗余驱动并联机器人的驱动空间与位形空间的空间点映射具有不可逆特征, 这增加了冗余驱动并联机器人控制器设计难度. 为了实现冗余驱动并联机器人这两个空间的一一可逆映射, 本文首次提出将时变阻抗控制与内力优化相结合的机器人控制律设计方法, 实现了机器人安全精准操作任务与控制律的唯一对应.

文章首先建立了冗余驱动并联机构的动力学模型. 然后, 为实现骨科机器人的安全交互操作, 提出冗余驱动并联机器人的时变阻抗控制方法, 并分析了系统的稳定性; 在此基础上, 为实现骨科机器人的精准操作, 以消除冗余驱动并联机构传动间隙为附加任务, 进行以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标内力优化. 最后通过仿真实验与对比分析验证所提方法的有效性.

图 1  平面二自由度冗余驱动并联机器人结构简图

图 2  本文所提方法控制框图

图 3  机器人末端位置曲线

本文首次提出了一种基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人消除传动间隙的多目标融合内力优化方法. 该方法基于冗余驱动并联机构的动力学模型, 设计了冗余驱动并联机构时变阻抗控制律, 并通过李雅普诺夫函数确定了系统稳定性条件; 在此基础上, 以力矩传递性能、驱动功率与控制力为优化目标, 进行了冗余驱动并联机器人可消除系统传动间隙的多目标驱动力优化, 进而避免了冗余驱动并联机器人驱动空间与位形空间不同维空间点映射的不可逆特征. 仿真实验对比分析表明, 该方法下执行机构的驱动力符号不变且大小保持在一定范围内, 实现了传动间隙的消除. 本文所提方法不仅适用于图1所示的冗余驱动并联机器人, 对于一般的冗余驱动并联机器人均适用, 可用于需要实现机器人精准安全操控的多种骨科手术应用场景. 已有研究表明, 将脑启发视觉认知、决策和运动控制紧密结合有利于实现智能自主的机器人从而显著提高机器人的整体性能[42-43], 同时从手术中学习操作技能有利于灵活地进入目标手术器官, 可使手术机器人更智能[44]. 实际手术操作中的机器人系统存在扰动, 为实现骨科机器人在复杂多变环境下的安全稳定精准控制, 下一步工作将在本文所提方法基础上, 研究骨科机器人的鲁棒稳定时变阻抗控制方法, 并充分结合基于脑启发和示教学习的控制方法, 以实现基于冗余驱动并联机构的骨科机器人精准安全鲁棒智能自主控制.

作者简介

梁旭

北方工业大学机械与材料工程学院讲师. 主要研究方向为医疗康复机器人, 骨科手术机器人和人机交互控制. E-mail: liangxu2013@ia.ac.cn

苏婷婷

北京工业大学信息学部讲师. 主要研究方向为轨迹规划, 机器人技术和智能控制系统. 本文通信作者. E-mail: sutingting37@163.com

侯增广

中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员. 主要研究方向为机器人与智能系统, 康复机器人和微创介入手术机器人.E-mail: zengguang.hou@ia.ac.cn

刘圣达

中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室博士后. 主要研究方向为微分方程, 最优控制和康复机器人. E-mail: shengda.liu@ia.ac.cn

章杰

北方工业大学机械与材料工程学院助理研究员. 主要研究方向为接触动力学. E-mail: zhangjie@ncut.edu.cn

何广平

北方工业大学机械与材料工程学院教授. 主要研究方向为机器人动力学与控制, 微机电系统. E-mail: hegp55@ncut.edu.cn