基于远心机构的主操作手建模与仿真研究

针对泌尿外科微创手术机器人的末端执行器如何在有限空间中完成给定任务,以提高泌尿外科微创手术的安全性问题,对其主操作手的运动学和工作空间进行了研究。根据泌尿外科微创手术特点和技术要求,基于远心机构,设计了具有6个自由度主操作手,用于控制该手术机器人的末端执行器;采用修正后的D-H参数法,建立了运动学模型,求得了主操作手的末端空间位置与各关节变量之间的函数关系和运动学逆解;利用Matlab和ADAMS软件对主操作手进行了运动学和理论工作空间仿真,并进行了结果对比分析。研究结果表明:该主操作手结构设计合理、模型建立准确、灵活度高,可以完成给定手术任务。     

主操作手结构设计及运动学参数标定

为更好地提升机器人主操作手性能,减少由于机构重力导致的操作疲劳感并提高位置精度,设计了一款7自由度主操作手:大臂机构为一平行四边形机构,提供前后和左右自由度;小臂机构提供上下自由度;手腕机构提供俯仰和偏航自由度;末端操作器机构提供自转和开合自由度。为提高主操作手位置精度,在主操作手结构设计的基础上,应用旋量理论建立了主操作手的运动学及其误差模型,采用最小二乘法对运动学参数进行了辨识,并进行了标定实验。结果表明,经过运动学参数标定后,主操作手的最大位置误差改善了67. 43%。     

虚拟腹腔镜手术主操作手工作空间分析与轨迹规划

作为连接手动操作和虚拟手术场景的桥梁,主操作手可再现多种腹腔镜手术动作,在虚拟手术系统中发挥着重要的作用。根据虚拟腹腔镜手术系统的应用需求,设计研发了一种6自由度被动式串联结构主操作手;通过运动学运算求得主操作手正运动学模型,在Matlab软件中对主操作手进行工作空间、轨迹规划分析;根据三维电磁跟踪系统采集的位置信息,对主操作手的运动学性能进行了定量与定性分析。结果表明,主操作手参数设计合理、运动学模型正确,工作空间分析与轨迹规划仿真结果满足虚拟腹腔镜手术的作业需求,为虚拟腹腔镜手术系统和主操作手的运动控制与术前手术规划奠定了基础。     

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。     

直升机传动系统主减速器构型设计方法研究

直升机传动系统是直升机的重要组成部分,但其发展一直处于落后状态,严重制约着直升机的发展.针对当前快速、高效的设计需求,提出了一种基于案例的直升机传动系统主减速器构型设计方法.对现有不同类别各型号直升机传动系统主减速器的构型进行分析,探寻其复杂结构下的构型设计方案.根据设计需求提出构型设计方案,构建以传动系统质量最小为目标的数学优化设计模型,完成各级传动速比分配;建立设计方法适用性评价体系;完成传动系统主减速器设计方法的开发.     

支撑喉镜下喉部手术机器人运动学模型与控制系统设计

首先简要介绍了机器人的机构原理,并进行了机器人从操作手在手术过程中的运动学分析,包括从手末端工具进出喉镜的直线运动分析和工具在喉镜下进行手术的运动学分析;其次,分别建立了主操作手与从操作手的运动学模型,提出了工具在支撑喉镜下运动的主从对应运动学模型;最后设计完成了机器人控制系统,并进行了动物实验研究.     

GIS检测操作臂的结构设计及优化

针对GIS检测移动操作臂的作业要求,首次开展了一种五自由度操作臂的结构设计与优化。首先通过分析GIS检测的任务要求,完成操作臂构型尺度设计;假定均质杆件和集中负载,建立机械臂力学模型,基于抗弯截面系数的平方与截面面积的三次方比值最优完成主操作臂的截面形状和截面尺寸的设计;建立三维实体模型,基于有限元方法完成操作臂在不同工况下的应力分析,在此基础上,采用遗传算法对操作臂进行结构优化。优化后的结构尺寸使操作臂的质量明显减小且能够保证足够的强度和刚度。     

一种灵巧操作手设计与分析

大多数操作手只能实现简单的捏、夹、握功能,和人手的高度灵巧性相比,还存在较大的差距.本文从人手仿生学的角度出发,提出了一种仿拇指与食指操作物体运动特性的灵巧操作手设计.首先,基于对人手操作物体旋转运动特性进行分析,设计出一种具有柔性结构的手掌以及能对物体进行旋转操作运动的灵巧性操作手,对其工作原理进行了阐述,然后,根据灵巧操作手一具体设计实例,分析了其对不同形状物体的抓握能力,最后,分析了灵巧操作手抓取物体并进行旋转操作运动的灵巧性能,为灵巧操作手的发展及应用提供了重要技术参考和研究思路.     

微装配机器人系统

研制一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统,该系统包括两个4自由度的主微操作手和一个3自由度的辅助微操作手,并采用双光路正交显微视觉作为获取机器人和微对象的位姿与环境信息的主要手段.为适应不同形状和材质微目标的操作需要,分别设计真空和压电陶瓷两类微夹钳,以微夹钳工作原理分析为基础,给出微夹钳的控制依据.就显微图像获取和视觉伺服等问题进行研究,包括基于维纳滤波的模糊图像逆滤波器复原,基于图像分析的显微镜自动调焦,以及基于距离和角度图像特征的显微视觉伺服控制等.以人机交互的半自主方式控制机器人进行微装配作业.装配结果表明,系统工作可靠,能够完成具有复杂工艺要求的微装配任务,目前微零件最小装配精度可达30 μm.     

鼠标形桌面主操作手的设计

为了实现对灵巧手的主从控制,设计了一个鼠标形桌面主操作手。主操作手将操作者手指的运动位置实时传递给从手,在从手抓取物体的过程中,利用直流电机作为主操作手的主动力反馈控制源,通过直流电机的驱动电路控制电机的转矩,将从手感受的力反馈给操作者。整个系统由DSP控制器进行控制。