远程医疗机器人主操作臂运动学与动力学特性研究

论文摘要

医疗机器人是工业机器人技术发展的重要方向之一。本论文提出了基于医疗机器人的功能特性对医疗机器人主操作臂进行了结构设计,建立了主操作臂的运动学模型和动力学模型,开发了医疗机器人主从操作臂的试验测试平台。本文的工作主要集中在以下几个方面:(1)介绍了医疗机器人的发展概况、国内外研究的现状、国际上具有代表性的医疗机器人主操作臂、多体动力学理论的发展概况和研究方法,阐述了课题研究的意义和本文的主要工作。(2)对国内最新研制的显微外科手术机器人系统MicroHand结构分析和对并联机器人分析,尝试采用Stewart并联机构进行设计并设计了符合本课题整体要求的医疗机器人主操作臂结构,通过Pro/E软件建立了主操作臂的三维实体模型。(3)对设计出来的并联机构进行运动学建模分析,研究了该机构的正解的封闭解形式,得出了反解的封闭形式。(4)对几种常用的机械动力学分析方法进行了介绍,根据课题的具体要求采用了凯恩(Kane)方法对设计的机构进行分析并得到了此并联机构的动力学方程。(5)依据前期设计搭建实验系统平台,通过实验数据的采集和观察对前面的推导过程和推导结果进行了定性和定量的判断。综上所述,本文的工作为整个课题的初步开展和进一步研究提出了总体架构和理论依据,从结构设计、运动学建模与动力学分析等方面对研究方法进行了探讨和尝试,为后续工作的开展奠定了实际操作的基础,并探索出了一种行之有效的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 远程医疗技术的发展过程
• §1-2 医疗机器人概述
• 1-2-1 研究意义
• 1-2-2 医疗机器人发展概况及现状
• 1-2-3 主从式遥操作机器人概述
• 1-2-4 医疗机器人主操作臂概述
• §1-3 课题研究的意义和本文的主要工作
• 1-3-1 课题研究的意义
• 1-3-2 本文的主要工作
• 第二章 主操作臂结构方案设计
• §2-1 MicroHand 医疗机器人功能与结构分析
• 2-1-1 MicroHand 医疗机器人功能分析
• 2-1-2 MicroHand 机器人主机械手力反馈装置功能分析
• 2-1-3 MicroHand 机器人主机械手机械结构分析
• §2-2 并联机构在机器人结构设计中的应用
• 2-2-1 并联机器人的发展与应用
• 2-2-2 医疗机器人主机械手的设计原则
• 2-2-3 应用于医疗机器人主机械手设计的Stewart 平台介绍
• §2-3 主操作臂机构说明与坐标系建立
• §2-4 两自由度球面并联机构的正反解研究
• 2-4-1 两自由度球面并联机构说明与坐标系建立
• 2-4-2 两自由度球面并联机构的正反解
• §2-5 本章小结
• 第三章 主操作臂机构运动学建模分析
• §3-1 概述
• §3-2 主操作臂机构的位置正解研究
• §3-3 主操作臂机构的位置分析反解
• §3-4 本章小结
• 第四章 主操作臂动力学建模分析
• §4-1 机器人系统动力学建模方法介绍
• §4-2 并联机器人动力学方程的建立
• 4-2-1 凯恩方程
• 4-2-2 并联机构各构件的质心点的速度、加速度和偏速度的确定
• 4-2-3 并联机构动力学方程的建立
• §4-3 本章小结
• 第五章 主操作臂机械结构的试验与测评
• §5-1 试验系统的建立
• 5-1-1 主操作臂机械结构运动学验证
• 5-1-2 主操作臂机构的运动学仿真
• 5-1-3 主从式医疗机器人功能结构分析
• 5-1-4 控制系统流程图、数据流图与模块图
• 5-1-5 医疗机器人控制系统软件开发
• §5-2 试验结果评价
• §5-3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• §6-1 课题研究总结
• §6-2 对课题进一步研究的展望
• 参考文献
• 致谢