超磁致-记忆合金控制器的强非线性动力学特性及应用

Surgical robot can assist doctors to complete the fine operation, improve the quality and safety of the operation, shorten the treatment time. The flutter caused by mechanical arm joint gap nonlinearity and the pulse type random disturbance caused by human nerve and muscle spasm will seriously affect the accuracy of the robot motion. We propose and design a new type of giant magnetostrictive-shape memory alloy composite controller, which can control the precision of the mechanical arm under the strong nonlinearity disturbance. The magnetic electromechanical coupling equation of the controller is established based on the magnetostrictive properties of giant magnetostrictive materials and hysteretic characteristics of shape memory alloy; introduceing the normal form to get the high-precision solutions of the strongly nonlinear system based on hysteretic nonlinear dynamics theory; introduceing the idea of transfer set to analyze system's bifurcation condition under randon excitation; a fast terminal sliding mode variable structure control method is proposed in this project to compensate delay effect caused by the inductance coil and the hysteresis of the giant magnetostrictive material in order to realize the system accurate and fast control. It has important theoretical significance and practical application value to study the dynamic characteristics of the giant magnetostrictive-shape memory alloy composite structure.

手术机器人可以协助医生完成精细的手术动作，提高手术质量与安全性，缩短治疗时间。由于机械臂关节间隙非线性引起的颤振和人体神经、肌肉痉挛等现象产生的脉冲型随机干扰，会严重影响机器人动作的精准程度，因此本课题提出和设计一种新型超磁致-形状记忆合金复合材料控制器，实现对机械臂在强非线性下的精准控制。利用超磁致材料的磁致伸缩特性和记忆合金材料的滞后特性，建立控制器的磁机电耦合方程；基于滞后非线性动力学理论，引入规范形思想求解系统的强非线性高精度解；引入转迁集的思想，分析系统在随机激励下的分岔条件；提出快速Terminal滑模变结构控制方法，补偿超磁致伸缩材料的滞后效应和电感线圈引起的时滞效应，从而实现系统精确、快速控制。这对于推动超磁致-形状记忆合金复合结构的动力学特性研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。

手术机器人可以完成精细的手术动作, 但由于机械臂关节间隙非线性引起的颤振和人体神经、肌肉痉挛等现象产生的随机干扰会严重影响机器人动作的精准程度。本课题提出和设计了一种新型超磁致-形状记忆合金复合材料控制器，将形状记忆合金丝埋入基体中以更好地实现对机械臂在强非线性和随机干扰下的精准控制。.根据实验数据建立了超磁致伸缩材料和形状记忆合金材料的滞后非线性模型，并进一步研究了基于超磁致伸缩材料的机械结构的强非线性动力学特性和随机系统响应的稳态概率密度的转迁集，从而确定系统响应发生随机分岔的参数空间条件。通过建立的基于超磁致伸缩材料作动器的非线性动力学模型，讨论了在随机激励影响下的装置非线性动力学响应。设计了一种新的复合作动器结构，讨论了形状记忆合金在不同工况下的非线性动力学响应，从而对作动器结构进行优化。最后，基于超磁致伸缩材料的振动主动控制和形状记忆合金的振动被动控制，引入了新的控制策略，通过在滑模面中引入非线性函数提出了全局快速Terminal滑模控制，实现了对机械结构振动快速精准的控制。.这对于推动超磁致-形状记忆合金复合结构的动力学特性研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。所得结论可以为手术机器人和精密加工等精密作动提供坚实的理论支撑和应用指导。