包含串并联关节的复杂机器人的运动规划

论文摘要

针对于目前医学上全口义齿制作全部由手工定制操作完成,工作效率低,返修率高的现状,提出了多操作机排牙的思想。既符合医用机器人的发展趋势,又促进了机器人技术、口腔修复学全口义齿制作技术的发展,因而课题的研究具有良好的社会效果和应用前景。同时多操作机排牙机器人系统的实现,为解决串并联复杂关节运动学建模、求解以及路径控制问题提出了新的思路和方法。本文首先过三维建模软件UG对多操作机排牙机器人528个零件进行三维建模并分析了排牙机器人的工作原理,然后详细介绍了机器人各关键部件。因为排牙机器人既包含串联关节,又包含并联关节,所以无法用传统的D-H法建立机器人的坐标系,这里建立坐标系的原则是在每一个运动副上建立一个坐标系。由于排牙机器人工作的特殊性,仅对运动学逆问题进行了分析和求解,首先确定各个散牙坐标系的位置和姿态矩阵,然后利用坐标变换的知识,建立了各坐标系之间的变换矩阵,进而对各个关节坐标系进行了求解。最后,应用模拟CP控制方法对排牙机器人各个关节进行路径控制,采用MATLAB编程方法来计算拟合点坐标系从初始点到目标点之间各个插值点的坐标。最后通过实验验证了运动学计算及路径控制方法的正确性。通过本文的研究,在已知患者颌弓参数的情况下,便可以通过运动学逆问题求解方法计算出各个关节的位姿矩阵,进而计算出步进电机需要的脉冲。通过对关节的运动控制来协调各电机的运动顺序,为进一步多操作机排牙机器人的整体控制做好了准备工作。同时本文的研究对包含混联机构的机器人运动学问题具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 医用机器人技术发展概况
• 1.2 口腔修复机器人的国内外研究综述
• 1.3 机器人运动规划的发展现状
• 1.4 课题研究的背景及意义
• 1.4.1 课题研究的背景
• 1.4.2 课题研究的目的及意义
• 1.5 本课题的来源及研究的主要内容
• 第2章 全口义齿排牙的背景知识
• 2.1 引言
• 2.2 口腔修复学基础
• 2.2.1 全口义齿的组成
• 2.2.2 人工牙列在医学上的精确定义
• 2.2.3 上下颌间的关系
• 2.2.4 排牙原则
• 2.2.5 牙齿的常规排列
• 2.2.6 牙的型号选择
• 2.2.7 无牙颌弓及牙弓的数学模型
• 2.3 散牙长方体的定义
• 2.4 本章小结
• 第3章 排牙机器人机构分析
• 3.1 UG 简介
• 3.2 多操作机排牙机器人的总体样机
• 3.3 多操作机排牙机器人的工作原理
• 3.4 多操作机排牙机器人的关键部件
• 3.4.1 转动机构
• 3.4.2 移动机构
• 3.4.3 U 型弹簧板
• 3.5 多操作机排牙机器人的辅助硬件
• 3.5.1 排牙器
• 3.6 本章小结
• 第4章 多操作机排牙机器人的运动学分析
• 4.1 运动学问题概述
• 4.1.1 运动学问题描述
• 4.1.2 运动学问题分析方法概述
• 4.2 刚体的位姿变换
• 4.2.1 刚体的位姿矩阵
• 4.2.2 位姿变换矩阵
• 4.2.3 多刚体之间的位姿关系及矩阵方程
• 4.2.4 导航角法表示的姿态矩阵
• 4.3 排牙机器人运动学问题分析
• 4.3.1 坐标系的建立
• 4.3.2 排牙机器人的运动学逆问题
• 4.4 本章小结
• 第5章 多操作机排牙机器人的路径规划
• 5.1 轨迹规划和路径控制概述
• 5.2 机器人关节轨迹的插值运算
• 5.2.1 轨迹插值的概念
• 5.2.2 定时查补与定距插补
• 5.2.3 直线插补算法
• 5.2.4 二自由度机械臂直线插补和圆弧插补算法
• 5.3 排牙机器人的路径控制
• 5.3.1 拟合点的路径控制
• 5.3.2 上侧关节的路径控制
• 5.4 本章小结
• 第6章 U 簧运动实验
• 6.1 引言
• 6.2 实验内容
• 6.3 结果分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢