可满足微创手术灵活工作空间的混联机器人研究

针对微创手术对机器人提出的高灵活性要求,设计出一种具有混联结构的微创外科手术机器人,并通过灵活工作空间分析进行结构优化。为合理布置手术切口及规划手术路径,利用末端手术工具服务球和服务区进行工作空间灵活性分析,通过数值解得到混联机器人工作空间内任意点的灵活度,并绘制出工作空间水平截面灵活性分布图,为手术切口位置和工具杆末端运动路径提供工作数据;再以工作空间水平截面灵活度大于0.85的灵活点数目作为评价指标,定量分析了姿态机构腕关节转角范围及手术工具杆长度对灵活性的影响,为微创外科混联机器人的结构优化提供了计算依据。仿真对比和优化后的实物实际运动结果均证明了该混联机器人可满足微创手术的灵活性要求。     

一种水陆两栖机器人的两移两转串并混联腿机构

为了适应水陆两栖机器人的复杂工作环境,提出一种同时拥有直线驱动和转动驱动的串并混联四足步行机器人。将串并混联机器人腿部机构简化为2UPU-UPR并联机构,并运用螺旋理论分析该并联机构的自由度特性,Y方向的位置和Z方向的姿态是影响机构运动的两个独立变量。推导出了2UPU-UPR并联机构的运动学反解及其速度雅克比矩阵,并根据速度雅克比矩阵分析了该机构的三类运动学奇异位形,2UPU-UPR并联机构没有运动学反解奇异,但是存在四种运动学正解奇异和两种混合奇异。通过对该机构组成的四足机器人进行直行步态规划,验证了机器人的运动稳定性;对一简单实例进行了单腿机构运动学仿真,分析其输入输出变化关系。研究结果可为机构的进一步动力学分析与应用提供理论基础。     

平地机工作装置混联机构简化位置正解分析

为了研究平地机工作装置的运动学特性,提出工作装置混联机构简化位置正解的分析方法.根据平地机工作装置结构及各部件运动副关系,抽象出工作装置机构模型.基于平地机作业方式特点,对该机构进行分解和分析,确定少自由度并联机构为该机构的主体.利用螺旋理论对该并联机构进行自由度分析,采用数值分析法对该并联机构进行位置正解分析,并基于ADAMS实现平地机工作装置并联机构部分的位置正解分析.现场的物理试验表明,对于工作装置并联机构部分的位置正解,试验结果与计算机仿真结果基本吻合,最大误差不超过3%,满足平地机工作装置的精度要求;从而验证了所提出的分析方法的有效性.依据该理论基础,通过进一步的分析,获得平地机混联机构工作装置的运动学特性,最后讨论该机构设计要点,为工作装置设计和优化奠定理论基础.     

一种5轴混联铣床运动学的矢量法分析

介绍一种由3自由度并联机构和2自由度串联机构组成的5轴混联铣床.采用矢量分析的方法,引入单位矩阵和四元素向量对运动学分析中的高阶转换矩阵进行降阶处理,实现机构输入参数与机构独立运动参数之间的矩阵转化,解决了机构运动参数耦合的问题;详细推导出铣床的并联部分驱动输入速度、加速度与机构动平台输出速度、加速度之间的数学关系,借助于运动学仿真分析软件验证了算法的正确性.该算法对于具有运动参数耦合的并联机构或混联机构的运动学分析、动力学分析以及机构的运动控制具有一定的参考价值.     

基于多目标结构参数优化的微创手术机器人设计

为提高手术机器人的通用性,根据不同微创手术工作空间要求和操作要求设计了一种具有8自由度的通用性微创手术机器人,构造了包含运动学和动力学特性的多目标优化函数,利用遗传算法对含有运动学和动力学的双响应指标进行优化获得了具有较高灵活度的结构参数,为后续结构设计提供了良好的理论基础。     

基于Mathematica的七自由度手术机器人运动学分析

随着微创手术在临床上的广泛应用,手术机器人在外科手术领域得到了飞速发展。首先基于Mathematica对七自由度手术机器人进行建模,给出其D-H表,然后推导运动学正逆解及雅可比矩阵,并据此进行运动特性分析,最后通过运动学仿真模拟手术机器人的运动过程,对其运动学特性及工作空间进行了验证,保证了设计的可靠性,为其动力学研究打下了基础。     

树状混联机构的约束和运动分析

针对混联机构结构的耦合性和复杂性问题,提出了以广义运动链等效分析法来求解此类混联机构的自由度.基于约束螺旋理论,对一种树状混联机构的约束及运动进行分析,采用广义运动链替换法,将混联机构中的复杂环路等效为等自由度的广义运动链,从而将复杂机构转化为简单机构,正确求得自由度的数目和性质.结果表明:该方法可有效化简机构的复杂结构,简化分析过程.     

内窥镜操作机器人灵活性分析及仿真验证

在微创手术中为了使内窥镜的姿态满足外科手术的需求,借助于服务球、服务点、服务区的概念给出机器人灵活度空间的分布.根据七自由度内窥镜操作机器人结构特点,采用位姿分解方式求得位置运动学解析逆解.针对微创胸腹腔手术的临床需求,分析了该机器人的灵活性,提出了内窥镜操作机器人灵活度空间分布的分析方法,并通过数值方法对工作空间内任意点仿真得到机器人灵活度的空间分布.对机器人逆解和灵活度分布进行仿真验证,证明该方法的正确性,表明内窥镜操作机器人的灵活度满足实际的手术需求.掌握运动学和灵活度空间分布,为后续机器人控制方法的实现和术前的路径规划提供了必要的理论依据.     

一类滑块式并联机器人逆运动学建模研究

针对一类六自由度滑块式并联机器人,本文给出了机器人的结构特性及工作原理,在建立坐标系基础上运用几何解析法,建立逆运动学模型,将运动平台几何中心点运动后的位姿带入逆运动学求解公式,求得各个滑块的位移,并与机器人各滑块实际位移进行比较,同时通过两个算例验证所建模型的正确性。验证结果表明,在误差允许范围内,通过逆运动学求得各滑块位移与机器人各滑块实际位移一致;一二、四五、三六滑块位移变换规律两两相互对应,符合六自由度滑块式并联机器人的结构矢量特性,证明了并联机器人逆运动学建模的合理性。该研究具有广泛的应用前景。     

含有纯约束分支的无耦合2T型并联机器人构型综合

为解决并联机器人强运动学耦合性问题,提出一种含有纯约束运动分支的无耦合二维移动(2T型)并联机器人的构型综合方法.此类并联机器人的分支运动链包括2种类型:向动平台提供驱动力的主动分支和仅提供约束的纯约束分支.首先基于机构输入-输出运动之间的数学模型和驱动力螺旋理论建立了机构主动分支的结构综合方法;然后根据分支运动特性和约束螺旋理论实现了纯约束运动分支的结构综合;最后按照各分支运动链的配置条件完成了并联机器人的构型综合,得到多种新型机构.对综合出的2种2-RURR/RRR和2-CPR/RPR并联机器人进行自由度和运动分析,基于其雅可比矩阵判断出机构均具有无耦合运动学特性,验证了所提出理论方法的正确性和有效性.     

高集成三自由度解耦球型手腕

针对空间机器人手腕集成度低和灵活性差的问题,提出一种由相对独立运动链组成的三自由度解耦球型手腕机构,采用双万向节和双半球结构来保证腕关节的紧凑性与灵活性.分析运动传动关系和工作空间区域,完成三自由度解耦球型手腕的结构设计,推导正、逆运动学方程和雅克比矩阵,分析结构解耦和运动解耦特性,建立作业空间与关节空间的运动传递关系.构建三自由度解耦球型手腕试验平台,进行侧摆、俯仰、自转试验和末端运动轨迹验证试验.研究结果表明,解耦球型手腕运动灵活、平稳,姿态角调整范围大,轨迹跟踪准确.     

一种新型6—DOF并联机器人研究

研制出一种新型６－ＤＯＦ并联机器人,介绍了其机构形式和特点,用轨迹圆法分析了位置逆解及多解性,并对机器人的工作空间进行了仿真研究。     

新型码垛机器人工作空间及影响系数分析

针对一种新型码垛机器人,利用D-H方法建立了其运动学模型,然后利用数值方法在考虑各参数边界条件的基础上对其运动学方程进行求解,得到了机器人工作空间的三维图和二维截面图。在此基础上,提出并定义了机器人工作空间影响系数,进一步求得了机器人杆长和转角参数对其工作空间的影响系数曲线,定量分析了机器人两个结构参数的变化对工作空间的影响,从运动学角度为机器人结构优化和设计提供了依据。     

气动三自由度并联机器人设计与仿真分析

为了设计一种具有良好运动学性能的并联机器人,以基于气浮无摩擦缸驱动的3-UPU并联机器人为研究对象,对其进行运动学建模以及工作空间、动力学仿真分析。通过三维建模软件设计3-UPU并联机器人物理模型;根据机器人几何关系推导其运动学方程并基于数值解法得到该机器人的工作空间;采用遍历法求解机器人各支链旋转角度范围,从而得到该机器人在其工作空间的最大输出力分布情况。仿真结果表明,该机器人具有良好的运动学性能。     

Determination of the workspace of a new coordinate-measuring machine using parallel-link mechanism

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＡｎａｃｃｕｒａｔｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ (ＣＭＭ )ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｏｌｔｏｍｅａｓｕｒｅｓｐａｔｉａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ .Ｉｔｉｓａｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｑｕｉｐ ｍｅｎｔｔｈａｔｅｎｃｏｍｐａｓｓｅｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ,ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ,ｏｐｔｉｃａｌ,ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ .Ｉｔｉｓｉｎｄ…     

一种新型3-UPS并联机构及其工作空间分析

设计了一种新型3分支6自由度3-UPS并联机构,建立了该机构的运动学反解模型,给出机构主要约束,应用三维极坐标边界搜索方法绘制出在定姿态工作空间截面图和边界三维实体图,分析了机构参数对工作空间体积大小的影响规律,为机构参数的选取提供了依据。该并联机构工作空间大、连续性好,适合作为机器人步行器的腿结构。     

一种用于并联机器人运动学求解的循环迭代方法

针对六自由度并联机器人运动学正解求解速度慢的问题,提出了一种基于循环迭代的运动学正解求解方法。以德国PI公司生产的H850六自由度并联机器人为研究对象,基于该型号并联机器人的结构特点,使用循环迭代方法进行运动学正解的求解,并利用Matalb进行求解计算,最后运用ADAMS仿真验证了此方法的正确性和高效性。为机器人的运动分析和轨迹规划奠定了坚实的基础。     

Inverse dynamics and servomotor parameter estimation of a 2-DOF spherical parallel mechanism

A novel reconfigurable 5-DOF hybrid manipulator—TriVariant-B is composed of a 2-DOF spherical parallel mechanism which is serially connected with a 3-DOF open-loop kinematic chain undergoing one translation and two rotations by a prismatic joint. The merit of this design is that a relatively large workspace/limb-stroke ratio can be achieved thanks to the decomposition of the fixed point rotation and the relative translation. In this paper, on the basis of inverse dynamic formulation of the 2-DOF spherical parallel mechanism, an approach is proposed for estimating the servomotor parameters including moment of inertia, rated speed and the maximum torque in a quick manner. The approach has been employed for the development of a prototype for frame cutting process. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50535010 and 50510488)