力反馈主手机构设计若干关键问题研究

发布时间：2021-03-10 14:51

主从式手术机器人系统可以把人和机器人结合起来，以力反馈主手作为交互界面控制手术机器人进入体内进行手术操作，既能利用人类具有的高级思维和决策能力，又能够利用机器人具有的高精密度和准确度。力反馈主手是主从式手术机器人系统的重要组成部分，本文对力反馈主手机构设计的工作空间分析、位姿误差建模、重力平衡等关键问题进行了深入研究，论文主要内容和成果如下：编写了n自由度机器人机构运动学模型和雅可比矩阵的计算程序，建立了主从运动学映射的数学模型。提出了一种计算n自由度正交机器人机构工作空间的数值方法，先求出机器人机构末端两个关节对应子工作空间的边界曲面，在前一个关节建立参考坐标系，将已知子工作空间的边界曲面分成若干层，求出每一层上的截交线，定义截交线的两个端点、半径坐标值最大点和最小点等为特征点，根据这些特征点可生成前一级子工作空间的边界曲线和边界曲面，由此递推可生成工作空间的边界曲面，并计算出工作空间的体积值。以三自由度正交机器人机构和PHANTOM力反馈主手机构为例进行了仿真分析，结果表明该算法具有运动学计算量小、结果精确等优点，并且能适用于平行关节机构。根据机器人机构位姿误差模型的连续性、等价性、比例性要求，以加入Hayati参数的运动学模型为基础，运用Paul提出的机器人微分运动理论，提出了一种基于坐标系分组的机器人机构位姿误差矢量的计算方法，简化了Veitschegger和Chi-haur Wu提出的基于杆件的位姿误差矢量计算方法。建立了主从式手术机器人系统的位姿误差模型，开发了基于MATLAB平台的仿真程序，分析了由PHANTOM力反馈主手和Da Vinci手术机器人组成的主从式手术机器人系统的位姿误差在其工作空间截面内的分布状况。根据PHANTOM力反馈主手机构的位置误差模型，采用正交试验设计的方法，以各杆件运动学参数误差作为试验因素，以位置误差作为响应变量，进行了精度设计的仿真分析。提出了一种弹簧重力平衡系统的能量分析方法，以具有平行四边形辅助杆件的2自由度机构为研究对象，进行了单关节弹簧重力平衡系统的方案设计。根据Kane方法推导了PHANTOM力反馈主手机构的动力学模型，进行了反向可驱动性的分析，最后对样机刚度进行了实验测试。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH112

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究状况

1.2.1 力反馈主手及其应用

1.2.2 力反馈主手机构设计的机器人学问题

1.3 回顾总结与课题的提出

1.4 本文主要研究内容

第二章主从式手术机器人系统的运动学分析

2.1 引言

2.2 基于 D-H 参数的机器人运动学模型

2.2.1 PHANTOM 力反馈主手的运动学模型

2.2.2 Da Vinci 手术机器人的运动学模型

2.3 雅可比矩阵的计算方法

2.4 主从式手术机器人系统运动学映射的数学模型

2.5 本章小结

第三章特殊构型机器人机构的工作空间分析

3.1 引言

3.2 力反馈主手机构构型分析

3.3 基于特征点的正交机构工作空间边界曲面数值方法

3.3.1 基于子工作空间的正交机构工作空间递推算法

3.3.2 边界曲线提取算法研究

3.3.3 工作空间体积的数值计算方法

3.4 算例与仿真

3.4.1 三自由度正交机器人机构

3.4.2 PHANTOM 力反馈主手机构

3.5 基于工作空间评价指标的杆件参数优化

3.5.1 灵巧度指标

3.5.2 体积评价指标

3.5.3 优化算法

3.5.4 算例

3.6 本章小结

第四章串联机器人机构的位姿误差建模与精度设计

4.1 引言

4.2 位姿误差建模

4.2.1 机器人系统的误差源

4.2.2 齐次变换矩阵的微分运动

4.2.3 基于杆件的位姿误差矢量计算方法

4.2.4 基于坐标系的位姿误差矢量计算方法

4.2.5 主从式手术机器人系统位姿误差模型

4.3 位姿误差仿真分析

4.3.1 PHANTOM 力反馈主手机构的误差模型

4.3.2 Da Vinci 的误差模型

4.3.3 基于 matlab 的位姿误差仿真算法

4.4 基于正交试验法的机器人机构精度设计

4.4.1 试验设计

4.4.2 模拟实验

4.4.3 试验结果及分析

4.5 本章小结

第五章力反馈主手机构的重力平衡设计及性能分析

5.1 引言

5.2 力反馈主手的机械特性

5.3 力反馈主手弹簧重力平衡系统的设计

5.3.1 弹簧重力平衡系统的能量分析法

5.3.2 两自由度四杆机构的弹簧重力平衡系统设计

5.4 力反馈主手机构的动力学性能分析

5.4.1 机器人机构动力学分析的 Kane 方法

5.4.2 PHANTOM 力反馈主手机构的动力学模型

5.4.3 PHANTOM 力反馈主手机构的反向可驱动性

5.5 样机刚度的有限元分析及测试

5.5.1 样机刚度的有限元分析

5.5.2 样机刚度的测试

5.6 本章小结

第六章全文总结

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

参加的科研项目和发表的学术论文

附录

1 工作空间分析的 Matlab 仿真程序

2 运动学模型和误差模型的 Matlab 仿真程序

致谢

【参考文献】