基于模型预测的膝关节置换手术机器人柔顺控制

摘要

针对半主动型膝关节置换手术机器人的柔顺跟随医生意图运动和手术安全范围约束问题，提出了一种模型预测导纳控制算法.首先，为了提高算法运行效率，使用斯特林插值方法对机械臂动力学模型进行线性化，并作为预测模型，该方法计算简单且求解精度高；其次，基于导纳模型力柔顺控制机理识别操作医生的力意图生成机械臂期望运动轨迹；然后，设计虚拟状态，提高模型预测控制算法的显式处理约束能力，利用模型预测控制的滚动优化和反馈校正特性提高控制鲁棒性；最后，结合成机械臂模型预测导纳控制器.设计三环PID(Proportional integral derivative)控制对照试验，验证了模型预测控制算法的轨迹跟踪性能更好，可以更好的实现期望的导纳动态，从而得到更优的柔顺效果.在此基础上，进一步验证模型预测导纳控制器在具有强耦合性、复杂系统参数结构特性的机械臂上的主动约束效果.结果表明模型预测导纳控制算法能实现比传统三环PID控制更好的柔顺性，且具备满足膝关节置换手术需求的安全性.本文有望促进半主动手术机器人的实际应用.

关键词

手术机器人 / 人机交互 / 模型预测 / 导纳控制 / 安全约束

基金资助

北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金资助项目（L212034）; 国家自然科学基金资助项目（62103039）