面向骨折整复的冗余并联气动机器人复合控制与实验研究

A hybrid motion control strategy of external redundant-pneumatic-actuated parallel robot for fracture reduction surgery is developed and experimentally verified. In order to improve the trajectory tracking accuracy and response performance of pneumatic robot joint, a feed-forward time-delay compensation and a dynamic model-based friction compensation are constructed for pneumatic coordination and synchronization. Specifically, to solve the problems of mechanical interaction stability of human bone and tissue elastic deformation in unknown constrained environment, an adaptive impedance control method is developed for the redundant-pneumatic-actuated parallel robot. Furthermore, according to the clinical surgery demands, a hybrid motion control strategy along with a master-slave fusion control method is proposed for the fracture reduction robot. This project aims to achieve safe, accurate, stable and efficient motion control of parallel pneumatic robot, and to provide theoretical support for the development of robot-assisted fracture reduction surgery system.

骨折的整复（又称接骨）是最常见的骨外科手术之一。冗余并联气动机器人在辅助接骨手术上具有刚度大、承载能力强、精度高、安全性好等多方面的优势，而备受医学界的青睐，然而，控制策略是制约其进入临床应用的关键瓶颈问题，迫切需要进一步深入研究。本项目围绕接骨机器人控制的准确性和柔顺性关键问题，研究多气路未知时延前馈补偿和气缸摩擦力的动态观测补偿算法，研究基于位置和刚度独立控制的自适应鲁棒同步控制方法；研究人体肢体组织弹性变形力学有限元模型，研究基于力传感和力预测双向反馈的机器人自适应力位阻抗控制方法；构建机器人控制实验平台，研究多未知环境下冗余并联气动机器人复合控制策略和主从融合控制方法。项目的意义在于推进多气动关节高精度同步控制方法和冗余驱动并联机器人力位阻抗协调控制方法的研究，为机器人应用于临床接骨手术提供重要的理论方法和实验研究支持。

冗余并联气动机器人具有刚度大、精度高、承载能力强、功率-质量比高、清洁和安全性好等多方面的优势，已在在精密制造、医疗机械、光学仪器和工业自动化等诸多领域中，展示出广阔的研究与应用前景。然而，并联气动机器人系统中复杂多元的机械结构、内部非线性动力学与不确定性，以及外部未知的交互环境约束，为其精准控制带来复杂的困难和挑战，特别是机器人力位复合控制策略，是制约其性能和应用的关键瓶颈问题。近三年来，按照研究计划，项目组围绕机器人控制准确性、适应性和柔顺性等关键问题，开展机器人高精度自适应力位复合控制策略和方法研究，完成研究内容和进展包括：. 1）面向驱动控制层面，提出机器人关节自适应鲁棒同步驱动控制方法：间接自适应模糊最优控制、自适应最优同步控制、鲁棒观测滑膜同步控制，实现动力学不匹配和运动学偏差影响下，非线性不确定系统高精度轨迹跟踪与自适应同步收敛。. 2）面向控制内环层面，提出机器人运动链加权范数速度重配规划方法：运动链时间-能耗轨迹优化、时间-冲击轨迹平顺优化、位置-力矩约束速度重配规划，实现机器人时间-能耗-冲击与关节位置-力矩耦合约束下，机器人运动自主平滑规划与轨迹性能优化。. 3）面向控制外环层面，提出机器人执行末端自适应力位同步阻抗控制方法：神经网络协同反演轨迹跟踪控制、神经网络同频鲁棒轨迹跟踪控制，实现机器人加工基坐标、工件表面曲面变化和刚度参数不确定条件下，机器人自适应力位柔顺与高精度协调控制。. 4）在上述研究基础上，构建6PUS-UPS并联气动机器人系统控制实验平台：工作空间求解、结构参数优化、EtherCAT驱动控制架构，提供机器人复合控制系统开发和实验验证平台基础。. 项目取得相关研究成果包括：发表/录用SCI期刊论文5篇，在投SCI论文1篇，申请发明专利7项，其中授权5项，协助实验室培养博士研究生2人，硕士研究生5人。项目研究计划要点基本上都按时完成，并取得了相应的阶段性研究成果，较好的完成了预期研究目标。