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)運動學模型和雅可比矩陣的計算程序，建立了主從運動學映射的數(shù)學模型。 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方法推導了PHANTOM力反饋主手機構(gòu)的動力學模型，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。
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH112

【參考文獻】

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本文編號：1374122