基于工作空间的主从式机器人比例系数分析

传统的主从同构式医疗机器人系统不能同时满足对主手操作舒适性和从手专用性的要求。主从异构式医疗机器人系统可以根据主手操作舒适性和从手专用性分别设计主手和从手,满足了对主手和从手的不同要求。主从比例系数是主从异构式机器人系统的一个重要参数。以“妙手”系统为研究对象,在确保主手和从手均满足显微血管缝合手术工作空间要求的基础上,通过对主手协同工作空间和从手协同工作空间分析,确定了主手与从手的比例系数。该系数保证系统能够顺利完成手术动作。     

虚拟环境下的管路布局设计技术

针对机电产品中管路系统的重要性和手工布管的缺点,提出了一种基于柔性导管模型的虚拟环境下管路布局设计方法.为了精确定位导管.提出基于位姿控制点的柔性导管建模技术.在该技术中,导管的形状和空间位姿可以通过位姿控制点实时调整和改变;利用自动生成和交互式调整两种导管布局方式,实现导管快速布局.为了提高管路附件的装配效率,开发了基于特征的管路附件的自动装配技术.在布局过程中综合利用了管路工程知识与规则,以保证布局结果的工程合理性.通过对管路布局结果进行数据后处理,生成导管加工统计信息和各种报表,以支持现场生产.     

网络化协同工作系统群组通信的密钥分配方案

分析了协同工作系统群组通信的特点,依据协同工作任务之间的权限包含和一致关系,建立了系统用户关系。根据这一关系,提出了一个面向任务的群组通信密钥分配方案,即"协同工作系统群组密钥分配方案",并分析了方案特点,给出了密钥分配方案的应用方法。     

双机器人协同搬运运动学分析及路径规划

建立了双机器人协同搬运工位站,对双机器人协同变姿态与定姿态搬运两种运动模式进行研究,并对双机器人之间的协同运动做了理论分析,提出了一种新的双机器人协同搬运的运动学约束方法。采用D-H变换矩阵法对双机器人协同搬运系统建立连杆坐标系并求出正运动学方程,然后,求出协同工作空间,在工作空间内添加了较复杂空间螺旋线的路径规划方案,在MATLAB中可以得到规划结果。根据规划的搬运工件轨迹求出主、从机器人逆运动学的各个关节角值。最后采用SolidWoks与MATLAB联合仿真实验平台进行仿真验证,实验结果证明了所提出方法的有效性。     

集成主被动协同Lamb波结构健康监测技术

通过对主被动Lamb波监测系统存在的互联性与互补性的分析,针对主被动监测系统各自的优势和存在的缺陷,研究并提出了主被动监测系统的协同工作机制。将被动监测触发和间歇扫查相结合,设定主动监测机制,并对主被动监测结果进行融合。给出了主被动集成化系统的硬件实现方案,并搭建实时监测的软件平台。实验结果表明,主被动协同技术与系统很好地融合了主被动监测信息,提高了监测效率、监测精度并降低了系统功耗。     

力反馈型主操作手工作空间分析与仿真方法研究

主操作手工作空间代表了主操作手的活动范围,从几何方面讨论了主操作手的工作性能,它是衡量主操作手工作能力的一个重要的运动学指标,在主操作手的设计、控制与应用过程中,都需要考虑。通过主操作手正运动学解计算求得末端执行器空间位置与各关节变量之间的函数关系,在MATLAB中分别运用数值法、图解法以及解析法对主操作手的工作空间进行仿真;根据三维电磁跟踪系统采集的位置信息,通过定量与定性分析,验证求解主操作手工作空间仿真算法的正确性;最后根据所得工作空间形状体积,布局主操作手在操作台上的位置,同时,提出3种主操作手工作空间求解方法的特点及其应用场合,为主操作手运动学性能指标评价和术前手术规划奠定了基础。     

空间测量定位网络的典型布局

空间测量定位系统在多站协同作用下实现测量,测站布局对系统测量精度、测量范围及使用成本影响很大.本文从wMPS网络布局和定位误差的关系入手,重点研究了测站分布几何对定位误差的影响.首先,建立了系统的定位误差模型,分析了测站单向通讯几何约束以及测站数目对改善测量精度的影响;然后,设计了两到四测站的多种典型布局形式,分析了典型布局的误差分布特性;最后,利用实验室样机对典型布局的误差特性进行了验证.实验结果表明,O_4型布局整体测量精度最高,L_3型布局对I_2型布局测量精度的增强幅度约为40％,O_4型布局对L_3型布局测量精度的提高幅度大部分处于20％以内.本文的研究为全局测量网络优化提供了有效的理论支撑.     

手术机器人力感主手不完全重力平衡性能研究

结合力感主手动力学方程,分析了主手在不完全重力平衡时,不平衡力对主手力感性能的影响。给出了重力不平衡项的变化范围,以及在不影响力感精度前提下主手的质心位置变化范围,并应用Adams和Matlab软件联合仿真,对主手的透明性在完全重力平衡和不完全重力平衡两种状态下进行分析对比。结果表明:当质心在该范围内时,可以减小机构惯性力,提高力感性能,同时又不会影响主手的刚度和可操作性。     

力反馈主手重力平衡方式改进

力反馈装置不仅需要实现静平衡,同时还要降低惯性提高动态透明性。文中采用弹簧补偿重力不平衡力矩的方式,改进了主手2,3关节的平衡结构,实现了主手在各种位形下的自主平衡。对改进方案的效果验证表明,在有效工作空间中各关节残余重力矩不超过4%,工作空间中各点的不平衡力小于0.1 N,主手的惯性力减小了71.2%,很大程度上提高了主手的动态性能。     

主从式微创外科手术机器人主手设计

主从式微创手术(m in im ally invasive surgery,M IS)机器人系统是医学中的微创手术技术和机器人技术相结合的典型产物。在手术中,手术机器人能够辅助医生进行各种手术操作及精确的定位,并且提供稳定的操作平台。通过分析腹腔镜手术中手术器械的典型运动空间和医生手术操作的动作,以及微创手术机器人从手的结构形式和运动,根据从手的操作要求,我们设计了一种适用于腹腔镜手术的主从式机器人系统的主手结构。模拟试验和仿真结果表明所设计的主手结构满足微创手术的要求。     

6-SPS并联机器人工作空间的边界曲面分析方法

提出了一种并联机器人工作空间分析的解析方法。该方法以曲面分析为基础 ,结合并联机器人的运动特性 ,得到了并联机器人工作空间边界曲面的方程。以 6 - SPS并联机器人为例 ,分析计算了其工作空间。在此基础上 ,描绘出了 6 - SPS并联机器人工作空间边界曲面的投影视图及截面曲线图。分析结果表明 6 - SPS并联机器人的理论工作空间是由 30张曲面片包围而成的闭包     

Workspace Analysis of a Six-Degrees of Freedom, Three-Prismatic- Prismatic-Spheric-Revolute Parallel Manipulator

This paper studies the workspace of a six-degrees-of-freedom parallel manipulator of the general three-PPSR (prismatic-prismatic- spheric-revolute) type. It is known that a drawback of parallel manipulators is their limited workspace. To develop parallel mechanisms with a larger workspace is of use to potential applications. The mechanism of a three-PPSR manipulator and its variations are briefly analysed. The workspace is then investigated and the effects of joint limit and limb interference on the workspace shape and size are numerically studied. The constituent regions of the workspace corresponding to different classes of manipulator poses are discussed. It is shown that the workspace of this parallel manipulator is larger than that of a comparable Stewart platform, especially in the vertical direction.     

角度与运动约束下串联式机械臂工作空间求解与结构优化

深水作业机械臂通常采用串联式结构,机械臂每个关节的转动角度与长度会受到相应的限制,这些参数会直接影响到机械臂的运动轨迹规划和作业效率。机械臂的有效工作空间的求解是一个多目标多约束的优化问题。通过数学分析建立机械臂的运动学模型,分析影响有效工作空间的相关参数,利用图解法来分析机械臂工作空间的边界曲线,得到机械臂的有效工作空间的截面。针对机械臂有效工作空间的截面积建立数学解析模型,最后运用遗传算法求得满足约束条件下的机械臂有效工作空间最优解和能够实现高效作业的最优结构参数。仿真结果表明,该模型能够有效求解角度与运动约束下的串联式机械臂结构优化问题。     

平面2自由度驱动冗余并联机器人的机构设计

机器人机构参数的设计是极其复杂的难题。研究一种平面2自由度驱动冗余并联机器人的机构设计方法,首先建立了该并联机器人机构的空间模型,在此基础上探讨了该并联机器人机构的工作空间性能指标与杆件尺寸之间的关系,并绘制了相应的性能图谱,这些图谱是该并联机器人的机构设计的重要参考依据,该方法为实现并联机器人机构设计的计算机辅助设计提供了一种简单、有效途径。     

三维机器人工作空间及几何误差分析

机器人工作空间的分析和求解是机器人机构设计过程中一个非常重要的问题。本文采用基于随机概率的蒙特卡罗方法,根据关节空间到工作空间的映射关系,得到了机器人机构工作空间。因为常见的机器人属于三维空间机构,所以在以前工作的基础上,将概率方法推广到对三维机器人机构工作空间的求解上。通过深入地研究二维、三维图形的微分几何关系,在沿z方向得到每一层的边界曲线基础上,采用曲线包络的方法得到了三维工作空间曲面的形状。通过一个例子详细说明了该方法的具体使用。最后对三维工作空间进行了几何误差分析,并说明了该方法对工程实际问题的应用价值。     

双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析

提出了一种新型六自由度并联机构,该机构由两条运动支链组成,每条支链各包含一个主动球副。与常规六自由度并联机构相比,支链数目的减少可有效增大机构工作空间。基于封闭矢量法求得所提机构的运动学位置逆解,在此基础上分析了机构输入与输出的速度映射关系,建立了机构雅可比矩阵。以工作空间和全域灵巧度为性能评价指标,借助性能图谱法完成了机构尺度设计,基于该尺度参数,对特定工作姿态下的工作空间、灵巧度、承载性能及刚度性能进行了全面研究。最后,搭建了3D打印样机,并对其典型应用场景进行了分析。     

DIMENSIONAL DESIGN THEORY AND METHODOLOGY OF 6-DOF SCISSOR PARALLEL MANIPULATOR

Parallel manipulators have many advantages over serial manipulators in terms of high load/weight ratio, velocity, stiffness and precision. A dimensional design theory and methodology of six degrees of freedom scissor parallel manipulator (SPM) is investigated. The SPM kinematics inverse equation is given. Based on the formulation of the local dexterity and the definition about the indexes of workspace incircle radius, the effects of the design parameters on the dexterity and workspace are discussed. Moreover the incircle radius change ratio about workspace are defined and used as the evaluated indicator to analyze the effects of the design parameters on the performances. A dimensional design theory that could satisfy the requirement of dexterity and workspace is proposed. The dimensional design theory and methodology can be of help in the design, trajectory planning and control of parallel manipulator.     

一种可用于微创手术的并联机构运动学分析与性能优化

与串联机构相比,并联机构具有刚度好,精度高,响应快等优点,适合用于医疗领域。微创穿刺活检等手术要求机器人机构能够输出远中心运动。提出了一种用于微创手术的新型远中心并联机构,其分支内部包含平行四边形闭环子链。采用螺旋理论对机构自由度进行了分析,证明其能输出两个转动运动和一个移动运动,且所有运动均通过远端固定中心。对机构进行位置分析,建立了驱动参数与末端参数之间的映射。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并分析得到了机构的奇异位形,包括逆解奇异、正解奇异和混合奇异。应用搜索法分析了机构的工作空间。采用运动/力传递指标对机构进行了性能分析,绘制工作空间内的性能图谱。以优质空间大小为目标对机构进行了尺度优化。