一种新型医疗机器人运动学及灵活性分析

从临床应用的角度出发,分析了微创神经外科机器人的结构特点.建立了机器人空间运动学模型,确定了该机器人逆解具有解析解,通过仿真验证了逆解的正确性.分析了机器人手腕的灵活性,用姿态球的概念定义了五自由度机器人手腕灵活性,给出了手术矢量工具姿态球的边界表达式,提出了手腕灵活性的分析方法,给出了机器人的灵活区域分布.掌握运动学和灵活性分析方法,可以为结构设计提供可靠的依据,为后续机器人控制功能的实现奠定基础.     

微创外科机器人灵活工作空间分析

微创手术给外科机器人提出了较高的灵活性要求,但是机器人很难具有完全灵 活的工作空间.首先提出象限分割的方法,即把手术工作空间分割为8个象限,确定微创外 科机器人所需灵活工作空间只需要为手术工作空间的1/8.然后,给出微创外科机器人灵活 工作空间与工作空间之间的解析关系, 从而确定机器人的运动学参数.在此基础上,对自行 设计的微创外科机器人结构进行了运动学参数优化设计.这种方法有效降低了微创外科机器 人的灵活性要求,解决了机器人结构尺寸与灵活性之间的矛盾.      

基于距离测量的机器人误差标定及参数选定

为消除机器人运动学标定中的模型奇异问题,研究距离平方差模型的可辨识参数.采用修正DH（Denavit-Hartenberg）模型描述机器人连杆结构,六参数描述末端关节到工具坐标系的变换,推导了连杆参数误差到机器人末端距离平方差的线性模型,从冗余关系式和物理解释角度讨论冗余参数,确定可辨识参数,使用迭代的最小二乘法辨识参数完整且非奇异的模型.结合某6旋转关节机器人,以激光跟踪仪为测量仪器进行标定实验,在设计末端执行器时目标测量点偏离末端关节轴线以保证倒数第二关节参数的辨识.结果显示,距离平方差模型避免了测量坐标系到基坐标系的转换,检验点的距离误差均方根降低93.1%,完整性和非奇异性提高了参数辨识的有效性.      

线驱动拟人臂机器人机构与前向运动学分析

为了克服手臂上的安装电机由于自重对拟人臂机器人承载能力和运动灵活性造成的影响,基于最新人臂仿生和并联机器人研究的成果,提出了一种用线驱动的并联机构替代手臂的肩、腕关节的串并联结构,并将驱动电机安放在基座上.讨论了从各个关节到基座的驱动绳索的走线方式及关节之间的耦合情况,在此基础上对前向运动学进行了分析,给出了末端相对于基础坐标系的位姿态正解.由给出的两组数值解实例,在ADAMS环境下进行了仿真,验证了算法的正确性.      

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

基于阻抗控制的机械臂末端工具的柔顺控制

当空间机械臂执行任务时与环境相接触，机械臂末端工具和目标之间可能存在很大的接触力.为了将接触力限制在一定范围内，本文提出了基于位置控制内环的阻抗控制对机械臂末端精细工具进行柔顺控制的方法.该方法建立了机械臂末端工具的位姿与接触力/力矩之间的动态关系，使用关节位置/速度传感器和腕力传感器的测量来得到关节角、关节角速度和末端接触力反馈，使得机械臂末端执行器根据反馈作出相应的顺应性运动.研究将阻抗控制应用在复杂精细的末端工具上，将位置和姿态同时纳入柔顺控制器的设计中，实现了末端位置和姿态的综合控制.最后本文以螺钉拆卸为例，对提出的末端柔顺控制律进行位姿控制和接触力控制的仿真验证.仿真结果表明，本文设计的柔顺控制器可以有效控制接触力在合理范围内，并在误差很小的范围内实现位置和姿态的综合控制，对实际工程应用中，机械臂末端的精细操作具有指导意义.     

CT导航混联医疗机器人灵活性研究

总结了目前医疗机器人灵活性的分析方法,基于服务球的数值法,对5R串联机器人和4H并联机器人进行了灵活度计算,得到了各自的任务灵活度.针对9-DOF冗余度串并混联医疗机器人运动学的复杂性以及难以获得逆解的解析解的状况,给出了串联部分、并联部分的位移流形,推导了混联机器人的位移流形.提出了混联机器人的灵活性分析方法,即基于位移流形(黎曼流形)的方法,并定义了混联机器人灵活度的通用解析表达式.基于黎曼曲面外接椭球面的面积计算,得到混联机器人的灵活度超过了CT导航手术所需的灵活度,满足手术要求,为微创外科混联机器人灵活性分析和度量提供了新的参考.      

二驱动球形机器人的全方位运动特性分析

介绍一种新型二驱动球形机器人,它使用两个电机作为输入,而球形机器人在平面运动具有三个自由度,所以属于非完整欠驱动系统.内驱动机构通过改变配重重心的位置实现了球形机器人沿任意方向的运动,且球形机器人的位姿影响了球形机器人沿不同方向运动的灵活性.阐述了它的结构特点,利用非完整系统力学理论对球形机器人运动学、动力学进行了初步分析.采用欧拉角和三维转动群知识对球形机器人的全方位运动学特性进行了分析.     

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计

传统的GPS接收机设计较为固定,用户不能改变接收机各类参数以适应不同导航信号处理的需要.而软件接收机只需做较小改动就可以适应不同信号,能够迅速分析、仿真、实现各类算法.在GPS软件接收机的基础上,利用鉴频器辅助鉴相器的输出,引入一个模糊逻辑控制器,使得环路能够智能跟踪GPS信号的动态变化.实验结果证明所提出的设计方法与传统环路相比可大幅度缩短跟踪时间,减小环路滤波器带宽,并能消除周跳.      

神经外科手术机器人灵活性分析

开发了用于神经外科手术的五自由度机器人BH600.从神经外科立体定向手术的需求出发,分析了该机器人的灵活性.用服务球和服务区概念给出了五自由度机器人工作空间任意点的灵活度定义,提出了工作空间灵活性的分析方法.通过数值计算和图形显示给出了工作空间的灵活度分布,采用机器人物理样机进行实验,对分析结果进行了验证.掌握灵活度的空间分布,可以为手术路径规划提供可靠的依据.      

管道喷涂机器人:结构与位姿调整

针对工业上大型管道内壁喷涂的需求,设计了用于喷涂管道的机器人,该机器人采用串并联结构形式,由支撑平台和串联机械手组成.支撑平台采用几何的方法建立数学模型,串联机械手采用D-H参数法建模;并在数学模型基础上给出了逆解方程.位姿调整时,对机器人进行初定位,利用激光跟踪仪测量出管道和机器人的位姿,求解出调整量,对机器人进行位姿调整,使喷枪旋转轴和管道轴线重合.管道喷涂机器人在工厂进行试验测试,测试结果表明该装备可以很好地实现管道的喷涂,提高喷涂质量和效率.      

新型大转角2T2R并联机构的设计与分析

针对大尺寸细长结构部件的加工需求，提出了一种新型五自由度混联机器人，并对机器人中新型大转角2T2R并联机构模块进行了研究分析。首先，应用螺旋理论计算出了2-UPS&（2-RPR）R并联机构的自由度，并应用修正的G-K公式进行了验证；其次，应用封闭矢量方程对机构进行了运动学分析，建立了运动学正反解模型，并计算出了雅可比矩阵；然后，利用机构的约束条件，绘制了机构的工作空间；然后，应用线速度各向同性指标和角速度各向同性指标对机构的灵巧性进行了分析；最后，通过给定轨迹进行运动学仿真。通过分析，验证了该机构的可行性和实用价值，为新型五自由度混联机器人的应用奠定了基础。      

基于四元数表示法的机器人基坐标系标定方法

在多机器人协同、运动学参数辨识和机器人离线编程等作业任务下,需要标定出机器人基坐标系在世界坐标系中的精确位姿.提出和实施了一种利用四元数表示法进行机器人基坐标系精确标定的方法.利用指数积公式,建立机器人的运动学模型.利用外部测量设备,测量出5个不共面的工具中心点,并记录对应的机器人关节位形.以基坐标系位姿对应的旋转矩阵元素为变量,建立不相容方程组,并求出基坐标系位姿的初步齐次矩阵.由于测量误差和截断误差,初步齐次矩阵的旋转矩阵部分不能满足单位正交阵的性质.利用四元数的几何约束条件,建立罚函数形式的目标方程,将初步齐次矩阵进行正交化修正.通过一系列的实际机器人的标定试验,验证了该标定方法的正确性,并提高了机器人末端的定位精度.      

一种机器人球腕的模型优化方法

许多机器人的共同特点是在操作臂末端安装了球腕.球腕是机器人上一个重要的独立结构,它的静态误差必然影响操作臂末端执行器的位姿精度.以机器人末端的球腕作为独立的研究对象,在静态误差分析的基础上,提出了一个评价球腕精度的综合指标.根据这一指标建立优化模型,对存在静态误差的球腕模型进行优化,从而建立新的球腕运动学模型.应用新模型进行运动学及动力学解算,可以减小机器人球腕的位姿误差,特别是减小具有较大静态误差的机器人球腕的位姿误差.通过对机器人球腕进行的局部优化,整个机器人末端执行器的运动精度将在一定程度上有所提高.      

基于姿态可操作度的机械臂尺寸优化方法

为解决机械臂尺寸优化设计问题,首先定义了表征灵活性的数值指标——姿态概率系数,即指定工作点上可行样本姿态与所取样本姿态之间的比值;之后根据姿态概率系数提出了姿态可操作度概念,它表征了机械臂在工作空间上的整体可操作性.在此基础上,提出了机械臂尺寸优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以机械臂自身无碰撞为约束条件,以姿态可操作度的倒数为适应度函数,利用遗传算法优化机械臂的尺寸参数,使优化后机械臂的可操作性最优.以六自由度(DOF)机械臂为例的优化结果表明:优化后机械臂姿态可操作度提高了40.33%.最后利用灵活性工作空间图进一步验证了算法的有效性,并讨论了姿态概率系数对优化结果的影响.