面向微创手术的并联UPR-2UPRR机构研究

发布时间：2017-10-03 10:05

  本文关键词：面向微创手术的并联UPR-2UPRR机构研究

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【摘要】：微创外科手术是医学界一个热门的研究领域,近些年来凭借其广阔的适应性,微创伤性,安全性高,术后恢复快等优势,获得了广泛的关注,面向该领域的医疗机器人技术也得到了快速的发展。为了模拟医生在微创手术时进行的复杂操作,各种各样具有远心点运动功能的机构应运而生。本文对目前较为成功的远心点机构进行了分类归纳,结合其优缺点,考虑到并联机构刚度大,精度高,承载能力好,结构紧凑等优势,提出了采用并联机构实现远心点运动的机构设计方案。通过对构型的分析比较,确定机构的运动副数量和空间位置,选择以UPR-2UPRR机构为研究对象,并进行了相关研究。将机构分成基座与U副装配体、伸缩杆装配体和摆动杆装配体三大子装配体,协调各个部分之间的配合,分别对每一部分进行详细设计。根据其实现的功能,提出机构实施多种方案,考虑刚度、强度、精确度以及工艺合理性等多方面因素,最终确定机构的设计方案,建立机构三维模型,绘制工程图,完成样机的加工和装配。分析机构的结构,在运动支链平面内建立了矢量间的等量关系,求解了机构的运动学逆解。通过结合机构运动学逆解的穷举法分析了机构的工作空间,推导了机构的雅可比矩阵,据此构造机构的全局性能评价指标,作为优化设计的目标函数。选定影响机构性能的关键结构尺寸作为优化目标,采用了粒子群算法的优化算法,确定机构的结构尺寸。对机构运动支链的一阶影响系数和机构的一阶影响系数进行了推导,基于机构一阶影响系数,结合虚功原理,求解了机构伸缩杆上驱动力与末端执行操作力之间的映射关系,通过对其分析计算求解了机构驱动力。在Adams环境下进行了虚拟样机的仿真分析,验证理论推导的合理性。考虑到机构运动的安全性和可靠性,对机构的关节零部件U副轴进行了强度分析,确保机构实现设计要求的运动功能。根据UPR-2UPRR机构的样机,构建了与之配套的电气控制设备,使用伺服驱动系统,通过CAN总线通讯,形成了一个闭环机电控制系统。编写了相应的控制软件,设计完成机构功能性验证实验,验证机构构型的正确性。还设计了机构的点位控制实验和轨迹运动实验。针对实验中产生的误差,对机构的运动学参数进行了标定,提高了机构的运动精度。
【关键词】：微创手术 并联机构 远心点运动 样机构建
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 RCM机构国内外研究现状及分析10-17
• 1.2.1 国内外研究现状11-17
• 1.2.2 国内外研究分析及发展趋势17
• 1.3 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 面向微创手术的空间并联RCM机构构型设计19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 微创外科手术机器人设计要求分析19-20
• 2.3 并联RCM机构构型确定20-23
• 2.4 并联UPR-2UPRR机构结构设计23-29
• 2.4.1 基座与U副设计24-25
• 2.4.2 伸缩杆结构设计25-28
• 2.4.3 摆动杆结构设计28-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 UPR-2UPRR机构运动学分析及优化设计31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 UPR-2UPRR机构运动学分析31-35
• 3.2.1 UPR-2UPRR机构运动学逆解31-33
• 3.2.2 UPR-2UPRR机构雅可比矩阵33-34
• 3.2.3 UPR-2UPRR齐次雅可比矩阵构造34-35
• 3.3 UPR-2UPRR工作空间分析35-37
• 3.4 UPR-2UPRR尺寸优化37-41
• 3.4.1 UPR-2UPRR结构尺寸参数37-38
• 3.4.2 UPR-2UPRR结构优化目标函数及约束条件38-40
• 3.4.3 基于粒子群算法的结构尺寸优化40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 UPR-2UPRR机构影响系数矩阵与静力学分析43-54
• 4.1 引言43
• 4.2 UPR-2UPRR机构影响系数43-47
• 4.2.1 UPR和UPRR支链一阶影响系数43-46
• 4.2.2 UPR-2UPRR机构一阶影响系数46-47
• 4.3 UPR-2UPRR机构静力学分析47-53
• 4.3.1 UPR-2UPRR机构静力学平衡方程47-48
• 4.3.2 基于Adams的UPR-2UPRR机构驱动力分析48-51
• 4.3.3 基于Ansys的U副轴静力学分析51-53
• 4.4 本章小节53-54
• 第5章 UPR-2UPRR机构样机平台构建及实验研究54-67
• 5.1 引言54
• 5.2 UPR-2UPRR样机构建54-58
• 5.2.1 UPR和UPRR样机系统构成54-55
• 5.2.2 UPR-2UPRR样机系统硬件组成55-56
• 5.2.3 UPR-2UPRR样机系统硬件调试56-57
• 5.2.4 UPR-2UPRR样机系统控制软件编写57-58
• 5.3 UPR-2UPRR运动性能实验58-66
• 5.3.1 机构自由度功能性验证59
• 5.3.2 点位控制实验59-62
• 5.3.3 轨迹运动实验62-66
• 5.4 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-72
• 攻读学位期间发表的学术论文72-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 孙立宁;张剑;杜志江;;一种基于图像导航的骨外科手术机器人系统[J];哈尔滨工程大学学报;2006年02期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 姚太克;一类三自由度并联机构的特性研究与优化设计[D];中国科学技术大学;2013年

2 马如奇;微创腹腔外科手术机器人执行系统研制及其控制算法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

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本文编号：964570