基于映射算法面向电热微夹持器的遥操系统设计与控制策略研究

为了提高微操作系统适应复杂操作任务的能力，本文以多自由度多指电热驱动微夹持器为研究对象，开发了应用于宏微操作的遥操作系统。首先，基于人体仿生结构，设计了4自由度可穿戴外骨骼手作为主端操作手，实现了对从端多自由度电热驱动微夹持器的遥操作；其次，通过改进的DH (Dena-vit-Hartenberg)法建立外骨骼手的运动学模型，基于MATLAB的机器人工具箱进行工作空间仿真，并应用笛卡尔空间映射算法解决主从操作手工作空间不匹配的问题，实现外骨骼手从宏观毫米精度到微观微米精度的映射；最后，通过MATLAB系统辨识工具箱建立了电热驱动器的仿真模型，使用超前调节方法优化被控模型，并采用PID算法实现了系统的位置闭环控制，仿真结果显示，采用该控制方法使得微夹持器的响应速度有效提高了约3倍，并具有更小的超调量和稳态误差，能够满足微操作的应用需求。

微操作是指以微米或纳米级的精度随尺寸极小的物体进行稳定定位、抓取、转移和装配的技术[1] [2]， 随着高新技术的发展和对宏观世界的研究相对成熟，微操作开始成为研究热点并被广泛应用到微机电系统(MEMS) [3]、生物医学[4]和精密医疗器械[5]等领域。

微夹持器是高精度显微操作任务中的重要工具，它直接影响显微操作的质量和效率，面向机械微夹持器的控制器设计大多集中在自动化微操作系统，文献[6]采用系统辨识器二指压电驱动微夹持器建立动力学模型，并采用增量式PID 控制策略提高压电驱动器的响应速度，文献[7]对二指微纤维复合微夹持器提出了一种基于模糊滑模控制和比例积分控制器的位置/力混合控制方案，完成精确和多尺度的微操作任务，文献[8]采用阻抗控制来解决二指V 型电热驱动器自身的延时特性，提高其显微操作的柔顺性。上述自动化系统通常面向二指机械微夹持器，在显微镜下获取双指末端在空间中的位置坐标，实现平面的夹持操作。本文所研究的多自由度多指电热驱动微夹持器属于空间夹持器[9]，受限于传统的传感器技术和视觉技术，无法完全获取微夹持器多指的末端坐标，这使得自动化系统的设计方法非常困难，并且通常只能完成分配的简单任务或批量的重复操作，如夹持、搬运等，极大限制了电热微夹持器的空间操作性能。与自动化系统相比，遥操作技术可将宏观操作转化为微观操作[10] [11]，以人的意愿作为系统的控制指令，适用于完成复杂任务，目前，遥操作技术在微观领域应用还比较少。

本文以课题组研发的多自由度多指电热驱动微夹持器作为研究对象，搭建了遥操作系统，充分发挥多指微夹持器的空间操作能力，使其在操作微物体过程中如同人手抓握物体一样便捷、灵活，设计了一