主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)可以把人和機器人結(jié)合起來，以力反饋主手作為交互界面控制手術(shù)機器人進入體內(nèi)進行手術(shù)操作，既能利用人類具有的高級思維和決策能力，又能夠利用機器人具有的高精密度和準確度。力反饋主手是主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)的重要組成部分，本文對力反饋主手機構(gòu)設(shè)計的工作空間分析、位姿誤差建模、重力平衡等關(guān)鍵問題進行了深入研究，論文主要內(nèi)容和成果如下： 編寫了n自由度機器人機構(gòu)運動學(xué)模型和雅可比矩陣的計算程序，建立了主從運動學(xué)映射的數(shù)學(xué)模型。 提出了一種計算n自由度正交機器人機構(gòu)工作空間的數(shù)值方法，先求出機器人機構(gòu)末端兩個關(guān)節(jié)對應(yīng)子工作空間的邊界曲面，在前一個關(guān)節(jié)建立參考坐標系，將已知子工作空間的邊界曲面分成若干層，求出每一層上的截交線，定義截交線的兩個端點、半徑坐標值最大點和最小點等為特征點，根據(jù)這些特征點可生成前一級子工作空間的邊界曲線和邊界曲面，由此遞推可生成工作空間的邊界曲面，并計算出工作空間的體積值。以三自由度正交機器人機構(gòu)和PHANTOM力反饋主手機構(gòu)為例進行了仿真分析，結(jié)果表明該算法具有運動學(xué)計算量小、結(jié)果精確等優(yōu)點，并且能適用于平行關(guān)節(jié)機構(gòu)。 根據(jù)機器人機構(gòu)位姿誤差模型的連續(xù)性、等價性、比例性要求，以加入Hayati參數(shù)的運動學(xué)模型為基礎(chǔ)，運用Paul提出的機器人微分運動理論，提出了一種基于坐標系分組的機器人機構(gòu)位姿誤差矢量的計算方法，簡化了Veitschegger和Chi-haur Wu提出的基于桿件的位姿誤差矢量計算方法。建立了主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)的位姿誤差模型，開發(fā)了基于MATLAB平臺的仿真程序，分析了由PHANTOM力反饋主手和Da Vinci手術(shù)機器人組成的主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)的位姿誤差在其工作空間截面內(nèi)的分布狀況。根據(jù)PHANTOM力反饋主手機構(gòu)的位置誤差模型，采用正交試驗設(shè)計的方法，以各桿件運動學(xué)參數(shù)誤差作為試驗因素，以位置誤差作為響應(yīng)變量，進行了精度設(shè)計的仿真分析。 提出了一種彈簧重力平衡系統(tǒng)的能量分析方法，以具有平行四邊形輔助桿件的2自由度機構(gòu)為研究對象，進行了單關(guān)節(jié)彈簧重力平衡系統(tǒng)的方案設(shè)計。根據(jù)Kane方法推導(dǎo)了PHANTOM力反饋主手機構(gòu)的動力學(xué)模型，進行了反向可驅(qū)動性的分析，最后對樣機剛度進行了實驗測試。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TH112
文章目錄
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
1.1 課題背景與意義
1.2 國內(nèi)外研究狀況
1.2.1 力反饋主手及其應(yīng)用
1.2.2 力反饋主手機構(gòu)設(shè)計的機器人學(xué)問題
1.3 回顧總結(jié)與課題的提出
1.4 本文主要研究內(nèi)容
第二章 主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)的運動學(xué)分析
2.1 引言
2.2 基于 D-H 參數(shù)的機器人運動學(xué)模型
2.2.1 PHANTOM 力反饋主手的運動學(xué)模型
2.2.2 Da Vinci 手術(shù)機器人的運動學(xué)模型
2.3 雅可比矩陣的計算方法
2.4 主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)運動學(xué)映射的數(shù)學(xué)模型
2.5 本章小結(jié)
第三章 特殊構(gòu)型機器人機構(gòu)的工作空間分析
3.1 引言
3.2 力反饋主手機構(gòu)構(gòu)型分析
3.3 基于特征點的正交機構(gòu)工作空間邊界曲面數(shù)值方法
3.3.1 基于子工作空間的正交機構(gòu)工作空間遞推算法
3.3.2 邊界曲線提取算法研究
3.3.3 工作空間體積的數(shù)值計算方法
3.4 算例與仿真
3.4.1 三自由度正交機器人機構(gòu)
3.4.2 PHANTOM 力反饋主手機構(gòu)
3.5 基于工作空間評價指標的桿件參數(shù)優(yōu)化
3.5.1 靈巧度指標
3.5.2 體積評價指標
3.5.3 優(yōu)化算法
3.5.4 算例
3.6 本章小結(jié)
第四章 串聯(lián)機器人機構(gòu)的位姿誤差建模與精度設(shè)計
4.1 引言
4.2 位姿誤差建模
4.2.1 機器人系統(tǒng)的誤差源
4.2.2 齊次變換矩陣的微分運動
4.2.3 基于桿件的位姿誤差矢量計算方法
4.2.4 基于坐標系的位姿誤差矢量計算方法
4.2.5 主從式手術(shù)機器人系統(tǒng)位姿誤差模型
4.3 位姿誤差仿真分析
4.3.1 PHANTOM 力反饋主手機構(gòu)的誤差模型
4.3.2 Da Vinci 的誤差模型
4.3.3 基于 matlab 的位姿誤差仿真算法
4.4 基于正交試驗法的機器人機構(gòu)精度設(shè)計
4.4.1 試驗設(shè)計
4.4.2 模擬實驗
4.4.3 試驗結(jié)果及分析
4.5 本章小結(jié)
第五章 力反饋主手機構(gòu)的重力平衡設(shè)計及性能分析
5.1 引言
5.2 力反饋主手的機械特性
5.3 力反饋主手彈簧重力平衡系統(tǒng)的設(shè)計
5.3.1 彈簧重力平衡系統(tǒng)的能量分析法
5.3.2 兩自由度四桿機構(gòu)的彈簧重力平衡系統(tǒng)設(shè)計
5.4 力反饋主手機構(gòu)的動力學(xué)性能分析
5.4.1 機器人機構(gòu)動力學(xué)分析的 Kane 方法
5.4.2 PHANTOM 力反饋主手機構(gòu)的動力學(xué)模型
5.4.3 PHANTOM 力反饋主手機構(gòu)的反向可驅(qū)動性
5.5 樣機剛度的有限元分析及測試
5.5.1 樣機剛度的有限元分析
5.5.2 樣機剛度的測試
5.6 本章小結(jié)
第六章 全文總結(jié)
6.1 結(jié)論
6.2 工作展望
參考文獻
參加的科研項目和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
附錄
1 工作空間分析的 Matlab 仿真程序
2 運動學(xué)模型和誤差模型的 Matlab 仿真程序
致謝
【參考文獻】
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