形状记忆合金驱动导管机器人运动控制研究.pdf

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工学硕士学位论文

形状记忆合金驱动导管机器人
的运动控制研究

















硕士研究生:颜增翼
导师:付宜利教授
申请学位:工学硕士(学术研究型)
学科:机械电子工程
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学

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Thesis for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON THE MOVEMENT CONTROL
OF THE ACTIVE CATHETER ACTUATED
BY SHAPE MEMORY ALLOY

















Candidate: Yan Zengyi
Academic Adviser: Prof. Fu Yili
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
传统的导管远端具有特殊的形状,在插管过程中不能改变。由于人体血管分
支较多,这种导管对操作技术要求过高,而且容易引发错误和重复操作,增加对
人体血管的损伤。目前,出现了多种能够在三维空间主动选择方向的导管机器
人,其中形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)驱动的导管机器人成功地进行
了测试,但有关的研究主要集中在设计和加工工艺方面,本文对其动态特性进行
了研究。建立了单 SMA 螺旋弹簧驱动和双 SMA 螺旋弹簧驱动导管机器人的动力
学模型,并分别实现了对这两种导管机器人的运动控制。主要包括:单 SMA 驱动
器和双 SMA 驱动器动力学建模、单 SMA 驱动导管机器人的 PID 和模糊 PID 控
制、双 SMA 驱动导管机器人的双输入双输出(Two-input Two-output, TITO) PID 控
制与 TITO 模糊控制。
在对机器人弯曲轴线进行圆弧假设的基础上,结合 SMA 的本构方程以及传热
方程,建立了单 SMA 驱动导管机器人的动力学模型。通过仿真和实验对所推导的
模型能否描述这种 SMA 驱动结构的特性进行了验证。对多驱动器驱动导管机器人
的力学方程进行了推导,结合单 SMA 驱动导管机器人的模型,建立了双 SMA 驱
动导管机器人的动力学模型,并通过仿真对其进行了验证。
研究了单 SMA 驱动导管机器人的运动控制方法。针对系统方程高度耦合不能
进行拉普拉斯变换获得传递函数以及 SMA 驱动器存在高度非线性的特点,分别采
用了传统 PID 和参数自整定模糊 PID 控制方法,并对系统仿真结果进行了比较。
PID 控制器采用 Z-N 参数整定法获得 PID 控制器的各个控制参数,简单易行;模
糊 PID 结合了 PID 和模糊控制的优点,通过模糊控制对 PID 的三个参数进行自整
定调节。
研究了双 SMA 驱动导管机器人的运动控制方法。针对系统的 2 个自由度存在
强的耦合特性,分别采用了 TITO PID 和 TITO 模糊控制的方法,并对系统仿真结
果进行了比较。对于 TITO PID 控制器,通过分析两个驱动器的电压与偏转角度之
间存在的关系,提出了电压比例分配函数的概念,利用一个 PI 控制器对这种关系
的不准确性进行补偿来实现控制;对于 TITO 模糊控制器,在总结传统模糊控制缺
点的基础上,采用一个模糊 PID 控制器对弯曲角度进行控制,采用一个模糊控制
器对偏转角度进行控制,同时采用一个解耦模糊控制器补偿系统的耦合来实现控
制。

关键词形状记忆合金;导管机器人;动力学模型;模糊控制;参数自整定模糊
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