[發明專利]一種繩索驅動微器械外力間接檢測模型的設計方法

有效

• 申請號: 202011246405.5
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112353492B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 王文杰;陳聰聰;曹玉婷;麻健偉;王曉華;張蕾;張凱兵
• 申請（專利權）人: 西安工程大學
• 主分類號: A61B34/00
• 分類號: A61B34/00;A61B34/30
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

1.一種繩索驅動微器械外力間接檢測模型的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、建立繩索驅動微器械系統完整動力學模型，具體包括以下步驟：

步驟1.1、建立正、反向鋼絲繩索動力學模型：

正向鋼絲繩索動力學模型：

F_s1＝K_s1(y₁-x₁)+F_s10 (4)

式(4)中，K_s1是正向驅動鋼絲繩索的彈性系數，y₁是正向驅動鋼絲繩索與關節連接端的位移，x₁是正向驅動鋼絲繩和滑塊連接端的位移，F_s10是正向驅動鋼絲繩索的初始張力；

反向鋼絲繩索動力學模型：

F_s2＝K_s2(y₂-x₂)+F_s20 (3)

式(3)中，K_s2是反向驅動鋼絲繩索的彈性系數，y₂是反向驅動鋼絲繩索與關節連接端的位移，x₂是反向驅動鋼絲繩和滑塊連接端的位移，F_s20是反向驅動鋼絲繩索的初始張力；

公式(3)和公式(4)中，F_s10＝F_s20＝F_k0＝F₀，其中F_k0是彈簧的初始張力，F₀是系統的初始張力；

步驟1.2、建立操作鉗關節的動力學模型：

式(5)中，τ_e，J_e和r依次是操作鉗關節驅動力矩，操作鉗關節的等效轉動慣量和操作鉗關節的等效驅動半徑；依次是操作鉗關節轉角θ的角速度和角加速度，τ_ef是操作鉗關節的摩擦力矩，由庫倫摩擦力矩τ_efc和粘滯摩擦力矩τ_efv兩部分組成，f_efc和f_efv依次為庫倫摩擦力和粘滯摩擦力系數；

步驟1.3、由操作鉗關節轉角θ和關節兩端繩索位移y₁，y₂的關系式

y₁＝y₂＝rθ (6)

得微器械系統完整動力學模型如式(8)所示：

式(8)中，K為彈性系數，K_s1＝K_s2＝K，l_e為外力F_ext的有效力臂；

步驟2、以微器械系統完整動力學模型為基礎，建立無外力情況下微器械位置估計器及其參數變化模型，具體包括以下步驟：

步驟2.1、當微器械操作鉗施加的外力為零時，即F_ext＝0，得到微器械位置估計器模型如下：

步驟2.2、將步驟2.1得到的微器械位置估計器模型描述為如公式(9)狀態空間的形式：

公式(9)中，y為關節轉角和角速度的輸出，

令x＝x₁+x₂，β＝2r_e，

將公式(10)變形得：

公式(11)中，參數R、Q和P都是與關節轉角θ相關的時變參數；

步驟2.3、將式(9)描述為典型線性參數變化的二階狀態空間模型，如式(12)所示：

步驟3、對無外力情況下微器械位置估計器模型進行分段辨識，建立無外力情況下微器械位置估計器動態參數庫，具體包括以下步驟：

步驟3.1、根據公式(12)得到x和關節轉角θ之間的關系如式(13)所示：

步驟3.2、將全局的辨識實驗過程按照時間序列離散成多個局部實驗過程，將每個局部實驗過程看作線性時不變系統進行參數辨識，將每個時間段內的線性時不變系統模型改為公式(14)所示的待辨識模型：

公式(14)中，Y為關節轉角輸出值，W為測量值，X為辨識值；

步驟3.3、通過加權最小二乘法進行辨識實驗，辨識數據獲取時，微器械末端轉角通過安裝在末端的微型磁編碼器采集并通過濾波得到θ，并通過光柵檢測位移x₁與x₂，同時通過微分得到由此得到測量值W，并通過多次實驗，獲得測量的Y_i(i＝1,2,…,m)，W_i(i＝1,2,…,n)；因為待辨識量的最可能值是使各項實際觀測值和計算值之間差的平方和最小，即使得最小，由此得到模型參數R、Q和P；

步驟3.4、通過對每個局部實驗過程進行參數辨識，得到多組辨識值X及關節角度值Y，并最終得到整個辨識實驗過程的微器械位置估計器動態參數庫；

步驟4、建立無外力情況下微器械位置估計器的參數自主選擇模型，具體包括：

步驟4.1、對公式(9)所示的無外力情況下微器械位置估計器的整個辨識實驗過程采用加權最小二乘法得到位置估計器的參數，建立無外力情況下位置估計器初始數學模型，將位置估計器模型改寫成以下待辨識形式：

Y＝WX+ρ (20)

公式(20)中：ρ為誤差項，利用最小二乘法得到位置估計器模型的待辨識矩陣X中參數，建立無外力情況下位置估計器初始數學模型，并由此根據初始的位置估計器得到微器械末端位置的初始估計值；

步驟4.2、將末端位置的初始估計值θ和模型參數R、Q和P進行匹配，逐次將位置的初始估計值θ與參數庫中角度值進行差值處理，為位置估計器選取差值最小的動態參數，并通過此參數自主選擇方法，建立無外力情況下微器械位置估計器的參數自主選擇模型；

步驟5、將無外力情況下微器械位置估計器參數自主選擇模型的輸出與有外力情況下微器械系統完整動力學模型輸出的位置估計值做差，將差值看作外力引起的擾動建立繩索驅動微器械外力間接檢測模型，具體包括：

將無外力情況下位置估計器參數自主選擇模型的輸出作為無外力情況下的位置估計值，結合有外力情況下微器械位置估計器模型的輸出，即由公式(8)通過辨識實驗獲得的位置估計值，得到兩個位置估計器模型輸出的差值ΔP，將位置差值ΔP看作外力引起的擾動，建立如下外力與位置差值ΔP之間的關系：

最后，結合實驗辨識的方式得到式(22)中的參數矩陣K、B和M。