Запечатлевая движение,
Создавая истории

Исследовательская группа из Шаньдунского университета опубликовала статью под названием "Адаптивное скользящее управление отслеживанием и подавлением возмущений для кабельных роботов-континуумов в эндоскопической хирургии" в журнале Control Engineering Practice. В статье предлагается  адаптивный метод интегрального терминального скользящего управления с расширенным наблюдателем состояния (NESO-AITSMC) для кабельных роботов-континуумов (CDCR).

В эксперименте система захвата движения NOKOV предоставила высокоточные данные о положении конечного эффектора кабельного робота-континуума, поддерживая исследование.

Цитирование

Zhang M, Chen Y, Gao Y, et al. Адаптивное скользящее управление отслеживанием и подавлением возмущений для кабельных роботов-континуумов в эндоскопической хирургии[J]. Control Engineering Practice, 2026, 168: 106684.

Исследовательский контекст

Кабельные роботы-континуумы достигают динамического соответствия навигации внутри сложных структур через змееподобное биомиметическое движение, обеспечиваемое их многосегментной гибкой архитектурой, и все чаще устанавливаются как идеальное решение для передовой эндоскопической хирургии.

Однако наличие нелинейных фрикционных эффектов и упругой деформации кабелей в кабельных системах приводит к накоплению ошибок конечного эффектора. Традиционные методы моделирования недостаточны для полной компенсации этих нелинейных динамических характеристик, что приводит к существенным неопределенностям модели. Кроме того, внешние возмущения, включая непредсказуемые силы контакта с тканями и сопротивление жидкости в анатомической среде, еще больше усиливают отклонения траектории. Существующие методы управления обычно характеризуются отсутствием надежности и демонстрируют ограниченную точность при работе с такими многоисточниковыми неопределенностями.

Основные вклады

Для решения вышеупомянутых проблем это исследование предлагает адаптивный метод интегрального терминального скользящего управления с расширенным наблюдателем состояния (NESO-AITSMC).

Контроллер CDCR

Основные вклады этого исследования можно суммировать следующим образом:

1. Разработан нелинейный расширенный наблюдатель состояния (NESO) со свойствами конечного времени сходимости, позволяющий одновременно оценивать неопределенности модели и внешние возмущения, тем самым повышая способность системы к подавлению возмущений.

2. Разработана терминальная скользящая поверхность, включающая логарифмические нелинейные функциональные члены, для ускорения сходимости ошибок вблизи начала координат, а также устранения стационарных ошибок посредством интегральной компенсации.

3. Предложена адаптивная быстрая закономерность достижения на основе обратной связи состояния скольжения, устанавливающая нелинейное соответствие между скольжением.

Симуляция

Этот раздел фокусируется на проверке эффективности предложенной схемы NESO-AITSMC посредством численного моделирования. CDCR используется как контролируемый объект, и реализована его динамическая модель.

Проведены сравнительные анализы стратегий управления, включая NFTSMC и RITSMC, в условиях неопределенностей модели и внешних возмущений.

Для оценки производительности контроллера по подавлению возмущений к системе применяется временное внезапное контактное возмущение во время t=4–5 секунд. Результаты показывают, что все контроллеры демонстрируют увеличение ошибок отслеживания после возмущения, но предложенный контроллер достигает наименьших отклонений. Максимальные ошибки положения конечного эффектора в направлениях XYZ составляют ±3.433 мм, ±0.275 мм и ±0.657 мм, что соответствует улучшениям на 51.4%, 28.2% и 54.8% по сравнению с лучшим базовым методом.

Сравнение ошибок отслеживания углов нескольких контроллеров при внезапных возмущениях

Сравнение 3D-движений нескольких контроллеров при внезапных возмущениях.

Эксперимент

Эксперимент по отслеживанию траектории

Экспериментальная система верификации состоит из трех основных компонентов.

Эксперимент по отслеживанию траектории. (a) экспериментальная установка. (b) экспериментальная процедура

(1) Бионическое континуальное механическое тело: PLA позвоночные единицы, изготовленные с использованием технологии моделирования наплавлением, формируют бионическую гибкую структуру диаметром 10 ммr и эффективной длиной 88 мм.

(2) Высокоточная система захвата движения: оснащена шестью камерами захвата движения NOKOV, обеспечивающими измерение позы конечного эффектора.

(3) Система реального времени управления: Алгоритм NESO-AITSMC построен на Matlab 2023b, обеспечивая двустороннюю передачу данных с платой разработки ESP32 через последовательную связь для управления двигателями.

Учитывая невозможность моделирования реальных временных возмущений окружающей среды, в этом исследовании используется имитация внешних возмущений путем добавления 50 грамм предварительной нагрузки к конечному эффектору.

Экспериментальные результаты демонстрируют, что, по сравнению с традиционными SMC, NFTSMC и RITSMC, предложенный контроллер обеспечивает превосходную точность отслеживания с минимальной ошибкой траектории.

Предложенный контроллер достигает пиковых ошибок отслеживания 3.915 мм, 4.261 мм и 2.103 мм по осям X/Y/Z, что представляет собой снижение на 30.3 %, 78.2% и 51.7% по сравнению с лучшим базовым методом.

Сравнение