基于有限和瞬时旋量理论的Exechon并联机器人运动学分析

运动学分析是并联机构性能分析、建模和优化设计的基础。传统的运动学分析方法中并联机构的拓扑模型与速度模型只能单独构建,无法揭示其内在联系,导致运动学模型的构建不够全面和准确;另外,以现有运动学性能指标作为运动学优化目标时,存在平转耦合机构运动学评价指标的物理意义不明确等问题。为此,以一平动两转动(1T2R)的Exechon并联机器人为研究对象,利用有限和瞬时旋量(finite and instantaneous screw, FIS)理论对其拓扑、运动学建模进行研究。根据FIS理论中的微分映射关系,在统一的数学框架下建立Exechon并联机器人的拓扑模型和速度模型,得到其速度和力雅克比矩阵。在此基础上,以可解析分析机构运动奇异性的虚功率传递率作为运动学性能指标,来有效评价Exechon并联机器人的运动/力传递性能。给定一组Exechon并联机器人模型的尺寸参数,借助MATLAB分析该机器人的局部虚功率传递率分布情况。研究结果为并联机构的性能分析与建模提供了参考,为Exechon并联机器人的优化设计奠定了理论基础。     

面向并联骨折手术机器人的复位轨迹自动式规划方法

并联骨折手术机器人及其计算机辅助诊疗技术解决了骨折复位手术治疗创伤大、易二次感染的风险，但现有骨折复位轨迹规划方法存在碰撞检测效率低、复位路径长及肌肉牵拉力大等问题，难以实现精准安全的复位治疗。针对此问题，提出一种融合碰撞检测、肌肉力分析和最短路径搜索的骨折复位轨迹自动式规划方法。首先，基于患者的CT影像重建三维骨模型，以患者健侧骨模型为复位参考，获取骨折复位的目标。其次，定义碰撞检测阈值，基于八叉树搜索算法快速查找断骨间的最小距离点，实现断骨碰撞检测。随后，由OpenSim的标准模型通过缩放特征建立个性化骨折肌肉模型，实时获取复位过程的肌肉牵拉力。最后，以骨块无碰撞、肌肉牵拉力最小和路径最短为约束条件，设计A*算法的轨迹搜索节点与估价函数，实现轨迹规划。开展所述方法与交互式轨迹规划方法针对9组胫腓骨骨折的复位轨迹规划对比实验，本方法平均规划时间仅为3.2 s，比交互式方法耗时减小了两个数量级，平均复位路径长度为24.3 mm，减小了36.7%，平均肌肉力是96.4 N，减小了16.2%。结果表明，本方法轨迹规划耗时短、复位效率高且轨迹安全性高，为精准安全骨折复位治疗提供了新思路。     

面向中大型铸造件的主从机器人系统及其遥操作加工方法

中大型铸造件合模线、浇冒口等残留特征具有尺寸随机、形貌随机、分布随机的特点,其安全高效高质量去除存在巨大挑战。对于此,提出以兼备高刚度和高灵活性的五自由度混联机器人为从动加工机器人、以具有力反馈信息的三平动并联机器人为主动操控机器人、以及基于主动和从动机器人的遥操作加工方法。首先,通过构造参数化、在线可调的禁止型虚拟夹具(Forbidden region virtual fixture,FRVF),解决了遥操作过程中由于抖动、通讯延迟等因素导致的过度加工问题。其次,建立了基于增量式位置跟随与人工势场法的遥操作控制模型,以便对主动和从动机器人进行约束与引导。最后,进行仿真分析与试验验证。结果表明,FRVF对空间复杂曲面的贴合度高,遥操作控制模型可确保加工区域不越过虚拟夹具表面,2.32 m×1.65 m×1.24 m灰铸铁铸造件残留特征的去除率达95%以上,一次加工后的表面粗糙度2.1μm,加工效率较人工方式提升了4倍。所提出的主从机器人系统及其遥操作加工方法,可有效实现中大型铸造件残留特征的高质量高效率去除加工,为其他中大型零部件高效加工提供新的解决思路。     

基于FIS理论的Myard环形组网机构运动学分析

为揭示折展机构连续与瞬时运动的本质与代数关联,将有限瞬时旋量理论（FIS理论）应用于一类过约束折展机构的分析中,提出包括折展单元及其组网机构的运动学分析方法。首先介绍了FIS理论的基本原理、Myard机构和Myard环形组网机构的组成原理。其次对于Myard机构,通过选定合适的初始位形,以构建有限旋量闭环方程的方式解决了折展单元的关节运动参数映射,基于旋量三角积与螺旋运动的定义提出了基于有限旋量的轨迹求解方法,随后由有限与瞬时旋量的微分映射关系得到Myard机构的速度模型。在此基础上,结合参数化的等效广义副将3-Myard环形组网机构简化为单闭环机构,以求解机构的参数映射关系,随后借助与Myard机构相同的分析流程便得到组网机构的位移与速度模型。提出折展单元及其环形组网机构的关节参数映射、运动轨迹和速度模型的分析方法,丰富了折展机构的运动学分析理论,为解决折展单元及其组网机构的运动学分析问题提供了新选择。