冗余自由度持镜机械臂的设计

论文摘要

微创手术与传统开放手术相比,具有创伤小,术后恢复快,减轻患者痛苦,有利于提高外科手术质量和降低医疗成本。利用机器人进行微创外科手术可以显著地提高手术质量,降低医生劳动强度,因此,机器人微创手术技术受到社会的普遍欢迎,成为机器人研究领域一个热门研究方向。在国家“863”计划项目“微创腹腔外科手术机器人”的资助下,本文对微创腹腔外科手术机器人系统中,冗余自由度持镜机械臂进行了详细结构设计及分析。本文首先对冗余自由度持镜机械臂进行了结构设计。在对冗余自由度持镜机械臂实际作业要求分析的基础上,结合现有构型的优缺点分析,确立了机械臂的最终构型,并对具体机械结构进行了详细的设计;针对长期以来困扰研究人员的远心运动机构刚度和精度不足的问题,提出了一套实用可靠的传动方案解决了该问题;跟据实际运用对机器人作业的要求,利用计算和仿真的方法,获得机器人对功率及速度的要求,据此对伺服电机进行了选型;对机器人关键部位,即远心运动机构进行了误差分析和估计,证明了设计方案的可行性。其次以机械臂自运动范围内灵活度综合指标为优化目标对机器人进行臂长优化,并研究了冗余机械臂自运动条件下灵活度变化情况,其结果将为术前臂型设置提供理论依据。再次,对冗余自由度持镜机械臂的运动学进行了分析。采用D-H法建立了杆件坐标系,并求出机械臂的运动学正解;运用分离变量法求得了机械臂末端执行机构的运动学逆解。第四,对冗余自由度持镜机械臂进行了动力学方程推导。使用拉格朗日方程法推导出了持镜机械臂的末端执行机构的动力学一般方程表达式。通过三维建模软件获得了机器人杆件及传动件的质量和惯量信息,将参数代入推导出的动力学方程得到代数方程,在给定激励下比较由动力学方程计算的响应和软件仿真响应的结果,验证了动力学方程的正确性。最后,利用Pro/E 5.0软件对冗余自由度持镜机械臂的自运动、术前优化设置及典型运动方式进行了模拟仿真,以此验证持镜机械臂设计的实际效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微创手术机器人系统的研究现状
• 1.2.1 微创手术机器人系统在国外的研究现状
• 1.2.2 微创手术机器人在国内的研究现状
• 1.3 冗余自由度持镜机械臂系统相关技术研究
• 1.3.1 持镜机械臂构型设计
• 1.3.2 持镜机械臂臂型设置及结构参数优化
• 1.3.3 持镜机械臂动力学及控制方法的研究
• 1.4 研究的目的和意义
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 第2章 冗余自由度持镜机械臂结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 冗余自由度持镜机械臂的作业要求分析
• 2.3 冗余自由度持镜机械臂构型的选择
• 2.3.1 位置调整机构的选择
• 2.3.2 末端执行机构的选择
• 2.3.3 冗余自由度持镜机械臂最终构型
• 2.4 冗余自由度持镜机械臂结构设计
• 2.4.1 直线运动关节
• 2.4.2 摆动关节模块
• 2.4.3 回转关节模块
• 2.4.4 平行四边形关节
• 2.4.5 滑动平台关节
• 2.5 伺服电机选择
• 2.5.1 回转关节伺服电机选型
• 2.5.2 平行四边形关节伺服电机选型
• 2.6 冗余自由度持镜机械臂结构模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 持镜臂臂长优化及术前臂型设置研究
• 3.1 引言
• 3.2 杆件坐标系的建立
• 3.3 臂长优化的方法
• 3.4 自运动逆解
• 3.4.1 臂型分类
• 3.4.2 约束分析
• 3.4.3 求解过程
• 3.5 臂长优化
• 3.6 本章小结
• 第4章 冗余自由度持镜机械臂运动学及动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 冗余自由度持镜机械臂运动学分析
• 4.2.1 运动学分析的理论基础
• 4.2.2 持镜机械臂正运动学计算
• 4.2.3 持镜机械臂运动学逆解
• 4.3 冗余自由度持镜机械臂工作空间分析
• 4.4 冗余自由度持镜机械臂动力学分析
• 4.4.1 拉格朗日方程法的基本理论
• 4.4.2 冗余自由度持镜机械臂动力学分析
• 4.4.3 动力学方程计算
• 4.4.4 动力学方程的验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 冗余自由度持镜机械臂仿真
• 5.1 引言
• 5.2 冗余自由度持镜机械臂仿真模型的建立
• 5.3 冗余自由度持镜机械臂仿真分析
• 5.3.1 实际作业过程
• 5.3.2 臂型设置仿真与研究
• 5.3.3 持镜机器人典型运动的仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢