（机械电子工程专业论文）6trpt型穿戴式并联接骨机器人设计及分析.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 机器人技术已经逐步地深入到我们生活的各个角落，医疗机器人近年来 更是成为众多科研人员研究的热点。现代医学的发展已经很大程度上取决于 医疗器械的升级与创新。因此，本课题结合国家“8 6 3 计划”项目“远程医 疗机器人关键技术及系统研发”，研制了一种基于并联机器人技术和骨外固 定技术、面向长肢骨骨折复位手术、穿戴式的并联接骨机器人一一6 一t r p t 型穿戴式并联接骨机器人，并对相关理论进行了探讨。 本文以典型的s t e w a r t 并联机器人构型为基础，借鉴现有的骨外固定架 的形式，提出了本文所采用的6 一t r p t 构型。并提出了6 - t r p t 型并联机器人 设计准则，即：以给定机器人工作空间为设计目标，在满足工作空间指标的 情况下，对机器人进 亍了性能指标筛选和外形尺寸最小优化，确定了6 一 t r p t 并联机器人各尺寸参数。 通过运动学研究建立了机构输入与输出之间的运动学关系，为接下来的 机构的深入分析奠定了基础，并根据求解的并联机器人加速度最大值，提出 了并联机器人的动力学的静力学简化。结合实际手术的应用选择了主要传动 部件的材料可透过x 射线的高强度尼龙；根据医生给出的骨折复位手术 中所需的机器人的技术指标对机构进行了静力学分析，并以此为依据选择了 机构的驱动元件，并对材料进行了强度校核，确定了构件尺寸。 对机器人机构性能的研究是今后手术应用和规划的理论基础，因此对机 构的奇异性和刚度进行了系统的研究，同时也验证了该机构满足骨折复位手 术中所需的性能指标。 搭建了6 - t r p t 并联机器人的运动控制系统，编制了运动控制程序，为 今后的实验研究奠定了基础。 关键词医疗机器人：并联机器人；运动学；静力学；机构性能 竺玺鎏圭些查耋三耋竺圭兰堡墼三 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yo f r o b o t i c sh a sg r a d u a l l yf l o o d e di ne v e r yc o r n e ro fo u rl i f e a n di t s a p p l i c a t i o ni n t h em e d i c a lf i e l dh a sd r a w ng r e a ta t t e n t i o no fn u m e r o u s s c i e n t i f i cr e s e a r c h e r st o s t u d yi n r e c e n t y e a r s t h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r n m e d i c a ls c i e n c e h a s ，t oag r e a te x t e n t ，d e t e r m i n e db yt h e u p g r a d i n g a n d i n n o v a t i o no ft h em e d i c a l e q u i p m e n t s o t h i s s u b j e c t c o m b i n e st h e “8 6 3 p r o g r a m p r o j e c to f “r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h ek e yt e c h n o l o g ya n ds y s t e m o ft e l e m e d i c i n er o b o t ”，d e v e l o p e dt h e6 ，t r p tt y p ep a r a l l e lr o b o t ，o n ek i n do f d r e s s i n gt y p ep a r a l l e lr o b o tf o rs e t t i n ga f r a c t u r ea n dc a nb er e c o n f i g u r e d ，o nt h e b a s i so f p a r a l l e lr o b o tt e c h n o l o g ya n db o n er e g u l a rt e c h n o l o g yw h i c hi sf a c i n g t h er e s t o r eo p e r a t i o no f l o n gl i m bf r a c t u r e a n dt h ea u t h o rh a sc a r r i e do nt h e d i s c u s s i o nt or e l e v a n tt h e o r i e s 。 w i t ht h er e p r e s e n t a t i v et y p et h es t e w a r tp a r a l l e lr o b o ta sab a s i st h i sp a p e r p r e s e n t st h e6 - t r p tt y p eb y r e f e r e n c et h ee x i s t i n gf o r mo ft h em o u n t i n gb r a c k e t o u t s i d et h eb o n e t h ed e s i g nc r i t e r i ao f6 一t r p t p a r a l l e lr o b o ta r er a i s e db yt h e a u t h o ra s f o l l o w s ：b ys i f t i n gt h r o u g ht h ec a p a b i l i t yi n d e xa n do p t i m i z i n gt h e o u t l i n ed i m e n s i o ni nc a s eo fw o r k s p a c ei n d e xo ff u l lf o o t ，e v e r ym e a s u r e m e n t p a r a m e t e ro f t h e6 - t r p t p a r a l l e lr o b o t i sc o n f i r m e d b yr e s e a r c h i n gt h ek i n e m a t i c s ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e dt h er e l a t i o n s h i po f o r g a n i z a t i o nw h i l ei n p u t t i n ga n do u t p u t t i n gt h r o u g hk i n e m a t i c s ，t h a ti sb e c o m e t h ef o u n d a t i o nf o rt h ei n d e p t ha n a l y s i so ft h eo r g a n i z a t i o n a n da c c o r d i n gt ot h e a c c e l e r a t i o nm a x i m u mt h a t s o l v e d ，t h ed y n a m i c s o ft h e p a r a l l e l r o b o ti s s i m p l i f i e db ys t a t i c s t h ea u t h o rh a sc h o s e nt h eh i g hs t r e n g t hn y l o nw h i c hc a n s e et h r o u g hx r a ya st h em a i nm a t e r i a lo ft r a n s m i s s i o ni nt h ea p p l i c a t i o no f a c t u a lo p e r a t i o n t h ea u t h o ra l s oa n a l y z e ds t a t i c st oo r g a n i z a t i o na c c o r d i n gt ot h e t e c h n i c a li n d i c a t o ro fr o b o tt h a ti s n e c e s s a r yi nt h e r e s t o r e o p e r a t i o no ft h e f r a c t u r ew h i c hd o c t o rp r o v i d e s b a s e do nt h i s ，t h ea u t h o rh a sc h o s e nt h ed r i v e c o m p o n e n t o ft h em e c h a n i s m ，t h ei n t e n s i t yo ft h em a t e r i a lh a sb e e nc h e c k e d ，a n d t h es i z eo f c o m p o n e n t h a sb e e nc o n f i r m e d s t u d y i n g o nt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h er o b o ti st h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o no ft h eu s i n ga n dp l a n n i n gi no p e r a t i o ni nt h ef u t u r e ，s ot h ea u t h o r 1 1 堕垒鎏三兰奎兰：兰塑圭主垒兰圣 c a r r i e do ns y s t e m a t i cr e s e a r c ht ot h es i n g u l a r i t ya n ds t i f f n e s so f t h ec o n f i g u r a t i o n a n d ，a tt h es a m et i m e t h et e c h n i c a li n d i c a t o ro fr o b o tt h a ti sn e c e s s a r yi 1 1 t h e r e s t o r eo p e r a t i o no ft h ef r a c t u r eh a sb e e np r o v e d f u r t h e r m o r e ，f o rt h e6 - t r p tt y p ep a r a l l e lr o b o t ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a s b e e n p mu p ，t h e c o n t r o l p r o g r a m e f o rt h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e so ft h e m o v e m e n th a sb e e nw o r k e d0 u t k e y w o r d ss u r g i c a lr o b o t ；p a r a l l e l r o b o t ；k i n e m a t i c s ：s t a t i c s ；m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e - n 1 哈尔滨工业大学工学硪士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着社会的进步和生活水平的不断提高，人类对自身疾病的诊断、治疗、预 防以及卫生健康给予越来越多的关注。人们尝试将传统医疗器械与信息、微电 子、新材料、自动化、精密制造、机器人等技术有机结合，以提高医疗诊断的 准确性和治疗的质量。在这种情况下，医用机器人和数字化医疗仪器设备得到 了迅速的发展，已经成为当今世界发展速度最快、贸易往来最活跃的高科技产 业之一，堪称全球性的“朝阳工业”。 骨折是指由直接暴力，间接暴力，肌肉拉力或骨骼疾病导致的骨的完整性 或连续性的中断与丧失 1 ”。股骨颈骨折是指由股骨头下至股骨颈基底部之间的 骨折。由于患者多为老年人。伤前就可能患有高血压，心脏病等全身疾患，骨 折不愈合率高达1 0 2 0 。骨折病发生率为2 0 4 0 。目前骨折治疗中主 要有手术复位和非手术复位两种方法。手术复位准确，但由于手术创口大，破 坏了愈合的生理条件，易导致骨折的延迟愈合或不愈合，且内固定的应力保护 和应力集中影响了力的正常传导，易导致皮质骨丢失和骨质疏松，增大了再次 骨折的可能性【l 州。非手术复位中的手法复位虽然快捷，创伤小，但一旦失败， 不能重复第二次，引起的失败使手术进入困境，使无创复位变成了有创复位。 非手术中的牵引复位虽可提供暂时和最终的稳定，但牵引力难以控制，牵引力 过大可能造成内翻畸形，同时加压时钢板张力过大又可能造成外翻畸形。机器 人技术在外科领域的开发与应用将从根本上改变外科手术的面貌，因为与人类 相比，机器人具有定位准确、状态稳定、灵巧性强、工作范围大、不怕辐射和 感染等优点。医用机器人不仅可以协助医生完成手术部位的精确定位，而且可 以实现手术最小损伤，提高疾病诊断、手术治疗的精度与质量，提高手术安全， 缩短治疗时间，降低医疗成本；同时将医生从手术中解放了出来，避免了医生 因辐射剂量过大而造成的自血球减少等伤害，也减少了患者的痛苦，缩短了恢 复时间，降低了慢性水肿、软组织萎缩和局部骨质疏松等骨折病的发病率。因 此有必要研制一种能够实现自动整复的、基于外固定技术的机器人机构来代替 医完成手术。 兰釜鎏三兰奎兰三耋筌圭兰堡耋圣 1 2 国内外研究现状 迄今为止，国内外已研究和开发了多种医用机器人系统，适用的手术范围 也越来越广泛，有的已商品化，用于临床手术。据有关报道，1 9 8 9 年日本的 i m a t r o n 公司生产了商品化的脑外科机器人n e u r o m a t e ：1 9 8 8 年加拿大的 y i k s a n k w o h 研究的基于p u m a 2 6 2 的立体定向脑外科机器人系统已由于临 床手术；1 9 9 0 年德国的a d a m s l 研究了用于耳鼻喉科手术的机械臂和计算机导 航系统，并用于i 艋床手术；1 9 9 7 年加拿大a p l l i e d a i s y s y t e m s 公司生产了商品 化的智能护理移动机器人系统；1 9 9 6 年德国k u h n c 研究了用于微损伤外科的 基于虚拟现实的手术训练系统；1 9 9 2 年法国的c i n q u i n p 研究了基于 p u m a 2 6 2 的脊椎外科机器人手术系统；1 9 9 2 年意大利的t r u p p e m 研究了基于 p u m a 2 6 2 的矫形外科手术系统；1 9 9 2 年英国的d a v i e s b l 研究了基于 p u m a 2 6 2 的脑外科机器人系统；1 9 9 7 年德国的b o h n e r p 研究了用于内窥手术 的7 自由度机器人；1 9 9 7 年德国的l u e t h t c 研究了基于并联机器人机构的用 于头部外科手术的机器人手术系统。在国外，医疗机器人研究得已较深入，应 用也比较广泛。图1 1 所示为德国亚蜾工学院h e h n h o l t z 生物工程研究所外科 治疗技术实验室研制的在计算机图像导引下进行骨外科手术的机器人。图1 2 所示为应用于脑外科手术的机器人系统；图1 3 是t e c h n i o n - i s r a e li n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 研制的医用r s p r 3 并联机器人，用于膝关节全替换外科手术中摄 像机的操作，该机器入绕垂直轴的旋转能力可达9 0 。，且工作空间内无奇异； 近几年来，国内也开展了医疗机器人方面的研究工作。在外科手术机器人方 面，哈尔滨工业大学成功研制了基于遥操作技术的辅助正骨机器人系统，该系 统由并联复位牵引机器人、串联导航机器人、c 型臂x 光机和多功能手术床四 图i - 1 骨外科手术机器人 f i g 1 - ip a r a l l e lr o b o tf o rp l a s t i cs u r g c r y 图1 - 2 脑外科手术并联机器人 f i g 1 - 2p a r a l l e lr o b o tf o rb r a i ns u r g e r y 晗尔滨工业大学1 学硕士学位论文 图1 - 3 医用并联机器人图l - 4 辅助正骨机器人系统 f i g 1 - 3p a r a l l e lr o b o tf o rm e d i c a la p p l i c a t i o nf i g 卜4r o b o t - a s s i s t e do r t h o p e d i cs u r g e r ys y s t e m 部分组成如图1 4 所示，然而该系统中的并联复位机器人结构过大、工作空间 相对狭小、灵活性能差，且此并联复位机器人在手术中主要应用的是髓内钉固 定技术，这就限制了机器人队断骨远近端的加持形式和长度，这就造成了在手 术中当患者出现肌肉紧张造成肌肉张力或收缩力过大时，机器人无法正常加持 断骨，使其在复位过程中不能保证稳定可控的姿态；图1 5 所示为北京航空航 图1 - 5 骨科手术并联机器入 f i g 1 5p a r a l l e lr o b o tf o ro r t h o p a e d i cs u r g e r y 图i - 6 辅助医疗正骨遥操作机器人 f i g ，l - 6 t e l e c o n t r o l r o b o t f o r m e d i c a la p p l i c a t i o n 图l - 7 机器人牵引装置 f i g 1 - 7 d e v i c e f o r d r a u g h t 竺堡鎏三兰銮：三兰璧圭兰竺鎏兰 天大学研制的矫形外科双平面导航技术与机器人系统，该系统为平面双并联系 统，仅具有4 个自由度，手术中需要医生辅助复位，并没有从根本上实现完全 整复的概念：北京航空航天大学还研制出了国内首台用于医疗接骨的机器人样 机。该样机的牵引装置可实现三个方向的平动，不能实现旋转，因此需要医生 辅助复位。图1 - 6 为系统整体示意图，图1 7 为断骨牵引机构；。 1 3 骨外固定器的应用现状 现今，在骨科手术中对长肢骨的固定形式主要有内固定和外固定两种6 1 。 其中内固定主要是指髓内钉固定。骨外固定在不断的改进与发展中产生了很多 型式，可按它的功能与构型分类。 按外固定器的几何学构型，现代的各种外固定器可归结分类为以下六种类 型( 图卜8 ) 。 团圆郦窗自癌 图1 - 8 骨外固定器六种几何学构型嘲 f i g 1 8s i xg e o m e t r ys t r u c t u r eo f t h ef i x a t i o nf o rl i m br e c o n s t r u c t i o n ( 1 ) 单边式( 亦称半针或钳夹式) ：这是最简单的构型，如标准的 h o f f m a n n 、j u n e t 与w a g r t e r 外固定器类型，其特点是螺钉仅穿出对侧骨皮质， 在肢体一侧用连接杆将裸露于皮外的钉端连接固定。 ( 2 ) 双边式( 亦称全针或框架式) ：钉贯穿骨与对侧软组织及皮肤，在肢 体两侧各用l 根连接杆将钉端连接固定，如c h a r n l e y 、a n d e m o n 与a o 双边式 外固定器均属这种类型。 ( 3 ) 四边式( 亦称四边型框架式) ：这是h o f f m a n n 外固定器复杂的组合其 特点是是肢体两侧各有两根伸缩滑动的连接杆，每侧的两杆之间也有连接结 构，必要时再用横杆连接两侧连接杆。v i d a l a d r e y 外固定器( 图卜9 ) 为其代 表。 ( 4 ) 半环式：观代的半环式外固定器特点是可供多向性穿针。半环上安 放钢针固定夹，但f i s h e r 外固定器的钢针夹主要是安装在螺杆上。这类外固 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定器有牢稳可靠的稳定性，特别适用于严重开放性骨折和各种骨不连及肢体延 长如图卜1 0 和卜1 1 所示。 ( 5 ) 全环式：这种类型外同定器是用圆形套放于肢体，可实施多向性穿 针固定，但不及半环式简便。h n e n a p o b 的环形架为其代表。美国k r o n n e r 用可 透过x 线的高强度尼龙代替金属环，固定的稳定性和使用的钉与连接杆数目有 关，如图卜1 2 所示。 ( 6 ) 三角式( 亦称三边式) ：可供2 3 个方向穿针，多采用全针与半针相 结合的形式实现多向性性固定。a o 三角式管道系统为其代表。此类固定架具有 结构稳定抗前后弯屈力强的特点。 图1 - 9v i d a l a d r c y 外固定器 f i g 1 9v i d a l - a d m yf i x e rf o rf r a c t u r e 图1 iio r t h f i x 公司生产的半环式 外固定器 f i g i - 1 1f i x a t i o no f h a l fr i n go f o r t h f i x 图l _ 1 0 半环式骨折复位外固定器 f i g 1 1 0f i x a t i o no f h a l f r i n g f o rl i m br e c o n s t r u c t i o n 图l 一1 2o r t h f l x 公司生产的全环式 外固定器 f i g 1 1 2f i x a t i o no f f u l lr i n go f o r t h f l x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 4 课题主要研究内容 针对原有正骨机器人系统的缺点，本课题中的穿戴式并联接骨机器人是在 传统的正骨理论的基础上，将并联机器人技术原有的骨外固定器相结合，该机 器人借助x 光机采集x 射线影像，送至计算机进行图像处理和特征提取，获 取复位数据，并由医生发送复位指令控制并联接骨机器人完成骨折复位手术一 一消除骨折过程中骨折区近远两端之间的重叠、旋转、成角及侧方位移。本文 任务是建立一种新型的并联接骨机器人6 t r p t 型并联接骨机器人；与现 有的骨外固定技术结合提出一种新的自动整复概念穿戴式燕复。具体的说 本论文的主要研究内容包括以下几部分： 1 、并联接骨机器人机构设计及优化按照骨折整复所需的工作范围要求 和手术后的外固定形式确定机构的自由度数、构型和工作空间；并以机构外形 尺寸最小、机构总体性能最优为目标完成了并联接骨机器人的机构优化设计， 包括对铰链形式的改进和机构形式的变异。 2 、并联接骨机器人运动学建模与仿真研究对并联接骨机器人进行了运 动学建模及仿真研究，包括位姿正逆解、速度正逆解、雅克比矩阵( 一阶影响 系数) 和机构二阶影响系数的研究；并根据骨折整复中的速度与加速度要求对 机构进行速度与加速度分析与仿真研究。 3 、并联接骨机器人静力学建模与仿真研究包括：将机构的动力学问题 进行静力学简化；建立机构的一阶静力影响系数，并带入骨折整复中的力负 载，搜索全目标工作空间内所需的最大驱动力，以此为参数对主要传动部件的 尺寸参数进行校核并选择驱动元件。 4 、并联接骨机器人机构性能研究对并联机器人的工作空间、奇异性和 刚度性能进行研究，作为机构选型、参数选择和优化以及机构性能判断的依据 和基础：其中包括：研究并联机器人工作空间的影响因素和计算方法，工作空 间的体积大小与机构结构参数的关系；对机构奇异判别阵进行研究，分析机构 奇异性指标和工作空间内是否存在奇异点；建立机构刚度矩阵和刚度指标，并 分析其与结构参数的关系。 5 、并联接骨控制系统建立包括：建立并联接骨机器人控制系统；编制 并联接骨机器人运动控制程序。 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章并联接骨机器人机构设计综合 机器人设计的第一阶段是机器人的机构设计，机构尺寸优化设计是并联机 器人运动学设计的最终目标。它决定了机器人末端执行器在操作空间的运动和 动力与关节空间的运动和动力之间的关系，因此机构设计对机器人能够实现的 功能和操作性能都有至关重要的影响。 本课题的穿戴式并联接骨机器人要求设计一种尺寸小、工作空间大且具有 一定的承载能力的机器人机构，而且在工作空间内不可存在奇异点，由于机器 人各性能之间的关联和牵制，给机构的设计增大了难度。本章根据接骨机器人 在临床应用时的工作需要确定了机器人的指标要求，并以机构外形尺寸最小作 为设计目标，通过工作空间指标确定所有满足的机构参数，再利用对机器人的 其他指标来对这些参数进行筛选，达到对机器人机构优化的目的。 2 2 并联机器人机构形式的确定 机构综合主要解决两个基本问题，第一个问题是根据给定机构的自由度， 确定其应有的运动副数目、类型及构件的数目，即按照给定自由度的要求进行 数综合：第二个问题是根据所给定的条件确定机构的所有相关杆件结构参数和 运动参数【2 1 ，例如构件的长度、有关构件之间的相对位置和角度等，这些参数 将对机构的运动和力的转换产生直接的影响。 2 2 1 并联接骨机器人机构类型的选择 由于断骨错位的多样性和j 下骨手术方案的不确定性，为使并联机器人具有 较强的通用性和保证自动整复的概念就必须保证其末端执行器具有6 个自由度 和较大的工作空间，且在工作空间内任何位置均具有给定的承载能力。为了使 机器人机构能够合理的满足骨折复位手术的要求，我们根据临床经验丰富的骨 外科专家提出的要求对临床应用进行了分析：骨折整复过程是骨折移位的反过 程，具体的说是消除骨折中断端之间发生的缩进、旋转、成角、和侧方位移， 从解剖学角度来讲骨折后两断骨之间的缩进位移和侧放位移最大不超过6 公 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 分，旋转和成角角度不超过1 5 度；在骨折整复过程中整复阻力主要来自于肌 肉紧张所产生的收缩力，其沿骨干轴方向的最大力不超过7 0 公斤力，垂直于 骨干轴向的最大力不超过2 0 公斤力；由此制定了并联接骨机器人的基本性能 指标要求如表2 1 所示。 表2 1 并联接骨机器人性能指标要求 t a b l e2 - 1i n d i c e so f t h ep a r a l l e lr o b o tf o rs e tab r o k e nb o n e 机构自由度 6 沿x 轴方向平移1 0 0 r a m 沿y 轴方向平移 1 0 0 m m 工乍 沿z 轴方向平移 5 0 r a m t h - 空l 白j 绕x 轴旋转2 0 。 要求 绕y 轴旋转 2 0 。 绕z 轴旋转2 0 。 x 轴方向力 2 0 0 n 承载 y 轴方向力 2 0 0 n z 轴方向力 7 0 0 n 要求 x 轴方向力矩 2 0 n m y 轴方向力矩 2 0 n m z 轴方向力矩 2 0 n m 重复性精度 1 5 m m 由表2 1 中数据可知，并联接骨机器人的末端执行器需要有较大的位姿能 力和负载性能，但是作为穿戴式的接骨机器人对其自身体积与重量的要求又比 较苛刻，再加上其对透光性的特殊要求又限制了机构材料的选择。在现有的机 构形式中几乎没有满足要求的，首先简化设计要求，不考虑机器人铰链的约 束，在现有的机构形式中搜索，当具有相同工作空间能力时，6 - s p s 机构拥有 最小的体积，而且它的形式和驱动方式也最接近现有的骨外科复位手术固定 架；因此以现在应用最广泛、结构最稳定、最适合于机器人技术结合的全环式 骨折外固定架为蓝本，将6 - s p s 机构作为接骨机器人的机构雏形。但此构型在 本课题的应用中存在着两个前文提及的问题：( 1 ) 目前所有的6 - s p s 机构多为 以液压缸或气缸等直线输入方式进行驱动，该方式占用空间体积大，杆长变化 范围小，因为其最长杆长必然要小于等于其最短杆长的2 倍；而且由于现有的 液压缸或气缸均为金属材料制成，不能够被x - r a y 所穿透，形成了手术过程中 x 光片拍摄的阻碍，不利于临床应用。( 2 ) 机构中的球形铰链工作范围过小， 极大的限制了机器人机构的工作空间；当机构被要求较大的工作空间时，就不 得不以增大铰链体积和机构参数来使机构满足使用要求。( 3 ) 液压缸或气缸管 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 路和气路连接复杂，且液压缸污染严重，根本不具备医疗应用的基本条件。 针对以上6 - s p s 机构在应用中的缺点，以其结构形式为基础进行了变异和 优化就形成了本课题的机构形式6 t r p t 构型，优化后的机构简图及模型如图 2 2 所示。该机构由两个直径相等动、定平台和6 个驱动杆件组成。驱动杆件 以丝杠螺母副驱动机器人机构，这种方式使得在很小的杆长下取得最大的杆长 变化范围；驱动杆的上下端分别由新型虎克铰以及由新型虎克铰和一个转动副 所组成的复合球铰与动定平台相连，连接处利用螺纹锁紧，以实现快速搭接。 在动平台运动过程中，驱动杆将电机的旋转运动转化为丝母沿丝杠的直线运 动，作为整个机器人机构的输入运动，随着机器人位姿的不断变化驱动长度和 方向均不断改变。 图2 - 26 - t r p t 并联机器人机构简图及模型 f i g 2 - 2m e c h a n i c a ld i a g r a ma n dm o d e l o f 6 一t r p t p a r a l l e lr o b o t 对机构的变异过程如下，变异过程主要是将6 - s p s 机构中的球形铰链进行 运动等效替代。由于6 - s p s 机构中其中一个球面副绕其z 轴的转动为局部自由 度因此6 - s p s 机构与6 - s p t 机构实质上为同一机构，那么我们就可以在6 一 s p t 机构的基础上进行变异和等效替代。首先将球面副的运动等效为不共面而 轴线汇交的3 个转动副所组成的复合球铰【l 】，等效形式如图2 3 所示；接下来 将虎克铰的运动等效为两个相交但不在同一个层面上的转动副【l l ，等效形式如 图2 - 4 所示。经过等效替代后各铰链和运动副之间的运动将分立于不同的层 面，因此机构将拥有极大的铰链工作空间，在设计过程中只需考虑铰链满足受 力要求即可，避开了铰链过小时铰链工作空间小而铰链过大时造成机构干涉这 堕尘鋈苫些查兰三兰璧圭耋堡兰兰 对矛盾的出现，极大的简化了设计过程，减小了机构的体积。利用m c 尼龙材 料加工的丝杠螺母副代替原有的液压缸或气缸，即可很好的解决机器人透x 光 的问题。最后便形成了图2 2 中所示本课题所设计的6 - t r p t 构型。 图2 - 3 球铰形式改进图 f i g 2 - 3t h ei m p r o v e m e n to f t h es p h e r ej o i n t 图2 - 4 虎克铰形式改进图 f i g 2 - 4t h ei m p r o v e m e n t o f t h eh o o k e sj o i n t 2 3 并联机器人机构尺度综合 机构尺寸优化设计是并联机器人运动学设计的最终目标，在机构优化综合 时应尽可能的考虑包括工作空间的体积和形状、奇异位形、运动学性能和负载 能力在内的各项性能指标；并通过建立合理的机构几何参数，研究所建立的参 数同以上性能之间的关系，来确定所能满足指标要求的最小尺寸参数。 2 3 1 并联接骨机器人机构参数的确定 在并联机器人的构型和铰链形式确定之后，所余的工作就是对机构的参数 进行优化筛选。这里所说机构参数主要是指确定机构主要尺寸和形状的几何参 数，它是机器人机构性能的主要决定因素。 当我们确定了动定平台的大小，铰链在动定平台所处的位置以及6 个驱动 杆件长度的变化范围时，我们也就有了个确定的6 t r p t 机构。因此我们只 需从以上三方面入手对机构进行参数化处理：( 1 ) 动定平台的大小可以用两平 哈尔滨j 业大学工学硕上学位论文 台铰链点所在半径描述，即将动平台半径r 。和定平台半径r 作为平台尺寸参 数；( 2 ) 考虑到机构在结构上的对称性，可以将动平台和定平台各自六个铰链 分成三对，每组中两个铰链成轴对称分布，三条对称轴线沿圆周均布。设定平 台铰链中心在动平台自身坐标系下的向量描述与其对称轴线间的夹角为，动 平台铰链中心在定平台自身坐标系下的向量描述与其对称轴线间的夹角为吼， 当体和确定时，定平台和动平台铰链的分布也随之确定，因此，可将它们 定义为东定平台铰链分布参数。图2 5 给出了纯和吼的几何意义，定平台铰 链中心所在圆圆心用b 表示，小圆圆心烈f - 1 2 6 ) 表示定平台铰链中心。第i 对虎克铰的对称轴用印。( f _ 1 ，2 ，3 ) 表示，相邻两轴线的夹角为1 2 0 。钆即为 岛。或岛，与尬( 卢1 ，2 ，3 ) 间的夹角。的几何意义与同理，只是将定平台的 参数替换成动平台的参数。( 3 ) 两平台之间驱动杆件的长度用对应铰链中心点 b ( p ) 0 2b ，( p 3 ) ? ? 钮一零 、 | | ， 一7 1 f71 f l b 5 f ，禽。一f 夸一净矿。b 2 ( m ) 一?、 j 0 3 7 o i 西、，西 b 6 f p 6 ) 一一一。b t ( p i ) 图2 - 5 铰链分布参数几何意义 f i g 2 - 5t h eg e o m e t r i cm e a n i n g o f t h e p a r a m e t e ro f t h e d i s t r i b u t i o no f j o i n t s 间的直线距离表示，其最大值k 。和最小值k 。表示杆长的变化范围。 至此6 - t r p t 并联机构的六个设计参数已完全确定，即：定平台半径兄、 动平台半径月。、定平台铰链分布角度吼、动平台铰链分布角度伤和驱动杆杆 长变化范围l 。、k 。在这些参数的确定过程中以工作空间的要求为基础， 还要兼顾机构在工作空间内的奇异性、可操作度、刚度以及受理的合理性和机 构的可实现性。 2 3 2 并联接骨机器人机构综合流程 机器人机构参数化的下一步是建立各参数同机构各性能指标之间的影响关 系，将其作为机构参数确定的准则，利用这些准则不断地对机构参数进行优化 哈尔滨t 业大学工学硕ij 学位论文 和筛选，搜索出一组最为合理的机构参数值；最终设计出的机构即为满足要求 的、具有最小尺寸的、最优的机器人机构，设计流程如图2 - 6 所示。 初跫机器天机构参数 l咒纯耳砟 根据目标王作差问主r 求反孬轨构杆长变化 范围k 。上。 ，史、 、奇异性分析、 ，! l 7 加入铰链约隶、对菜蚺机构参数适当救j 、 一一一 二i 、亩；矿：? 时某些机构参数适；改进f 二i 、黧篓磐：? 懒改进 ，蔓、 。两全杆件干涉短墓 对某些机构参数适自改进f f 刚度分析 厂一 幽2 - 66 - t r p t 并联机器人机构综合流程图 f i g 2 - 6p r o g r a m ef l o wf o rd e s i g n i n g6 - t r p tp a r a l l e lr o b o l 首先根据穿戴式接骨机器人的尺寸要求确定定平台半径见和定平台铰链分 布角度、动平台半径胄。和动平台铰链分布角度纯，首次确定的四个参数的 初值可能有数组，这些初值将在随后的计算中被筛选或改进；然后对每个参数 组的初值以目标工作空间为准则，反算无约束情况下相应的杆长变化范围 l 。，l 。；随后对机构进行奇异性分析，去除在目标工作空间内含有奇异点 哈尔演工业大学王学i 丽士学位论文 的参数组；接下来加入铰链约柬，去除受铰链约束影响过大的参数组，并对某 些参数组进行改进；对机构进行静力学分折，根据分析结果去除蹬标工作空间 内受力不合理的参数组，并确定驱动杆间的尺寸参数；对机构进行杆件干涉分 析，加入杼件干涉约束，去除受杆件干涉约束影响过大的参数组，并对某些参 数组进行改进；对机构进行刚度分析对所余的参数组按机构的刚度指标进行 排序；综合上所进，耿机构性能最优的一组参数值作为机器人机构的最终参 数，机构的最终参数如表2 - 2 所示。 表2 - 2 并联接骨机器a 机构参数 t a b l e2 - 2m e c h a n i s mp a r a m e t e r so f t h ep a r a l l e lr o b o tf o rb o n e s e l t i n g 动平台半径定平台半径动平台分布角定平台分布角驱动抒杆长变 砖( m m )总( r a m )度纯( 。)度纯( 。)化范围( m m l 1 5 01 5 03 01 51 1 0 3 5 0 2 4 本章小结 本章结合现今应用的骨辨固定架豹形式，从现有并联机构的应用缺陷出 发，对原有的6 - s p s 并联机构形式进行了变异和改进，确定了并联接骨机器人 的机构形式6 岬t 。对机器人的铰链进行了改进，等效处理为具有较的 工作空间的复合铰链。建立了丽向工作空间的6 - t r p t 并联机器入机构综合的 设计原则，即根据设计指标中工作空闻的要求，确定包含该二i _ = 作空闻的所有可 能的机器人几何，在这些几何中，执行数值搜索算法来确定最优化地满足其他 约束条件并具有最佳性能的并联机器人。 哈尔滨业大学学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章并联接骨机器人运动学研究 运动学研究是并联机器人研究的理论基础，它建立了机构输入与输出之间 的运动学关系。机构影响系数是机构运动学中一个十分重要的概念，很多机构 分析问题用影响系数表达就格外清楚和简单。一阶影响系数即机构的雅克比矩 阵反映了机构输入速度同输出速度之间的映射关系，二阶影响系数反映了机构 输入加速度同输出加速度之间的映射关系。 本章采用解析几何法求解了机构的位姿逆解；用迭代法求解了机构的位姿 正解；用求导法求解了机构的雅克比矩阵( 即一阶影响系数) 和二阶影响系 数；并针对骨折复位手术中机构低速运行的特点，利用m a u a b 和a d a m s 软件 对3 中低速运动情况下机构的逆解、速度和加速度进行了数值分析和仿真分 析；搜索了全目标工作空间内，动平台低速运行时( 速度在5 m m s 以下) 机构 的最大输入加速度，并由此提出了机构动力学问题的静力学简化。 3 2 机器人机构位置逆解计算及仿真分析 3 2 1 机器人机构位置逆解建立 x 图3 - 16 - t r p t 并联机器人坐标系设置图 f i g _ 3 - 1d i a g r a mo f c o o r d i n a t es y s t e m so f 6 - 冲t p a r a l l e lr o b o t 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 首先建立如图3 1 所示的坐标系，设定平台处的铰链点和动平台处的铰链 点分别用局、只、( i = 1 ，2 ，6 ) 表示，并分别位于两平台第i 个虎克铰的中 心点；设置固定参考系( b 嘲固联于定平台上，简记为 曰) ，坐标系原点b 位于定平台几何中心，z 轴垂直于基座上平面且指向上方，y 轴沿着第三个虎 克铰第四个虎克铰的对称轴方向，x 轴可由右手定则来确定；设置动参考系( p x y z ) 固联于动平台，简记为( p ) ，原点p 位于动平台几何中心；设初始安装 状态下动平台体轴系与定平台体轴系的方位完全相同，8 西为铰链点日位置在 定雀标系中的矢量描述，冶，为铰链点既位置在动平台坐标系中的矢量描述， 印为动平台几何中心的位置在基座坐标系中的矢量描述，铒为动平台上铰链 点p ，位置在动平台坐标系中的矢量描述，镰为平台上铰链点p l 位置在基座参 考系中的矢量描述。定义p 。( i - 1 , 2 ，6 ) 为定平台中心b 到铰链点b ，的连线和 定举标系x 轴正向的夹角，吃为铰链点戡所在圆的半径，仡= 1 5 。为铰链点与 平台中心点连线与对称轴之间的夹角； 妒。，( f = 1 , 2 ，6 ) 为动平台中心p 到铰链 点p ，的连线与动平台体轴系中x 轴正向的夹角，r 。为铰链点p l 所在圆的半 径，上下平台分布半径相等r b = r 。= r ，= 3 0 。为铰链点与平台中心点连线与 对称轴之间的夹角；用向量l i 表示由铰链点且指向p ，的连杆向量。 1 3 3 3 0 。砟2 2 刀d + 纬3 5 9 0 - o , 4 2 p d + 砟5 - - 一2 1 0 一f o pf o p 6 2 2 1 0 + q d p ( 3 1 ) 纯1 5 3 3 0 一魏2 2 3 3 0 + 仇纸3 。9 d 嗍4 2 9 0 + o h 5 - - 2 1 0 一纯纯6 = 2 1 0 + f 等 ( 4 - 1 3 ) 式中p 一负载阻力，n r 负载转矩，即螺杆所受扭矩，n m m 电机轴输出转矩，n m m v 丝母移动速度，m m s 减速箱轴输出速度，即螺杆旋转速度，r a d s 。电机最大转速，r p m 。丝母最大移动速度，m m s _ 一减速箱传动比 户螺杆导程，m m ”，丝杠螺母副传动效率 ”，减速箱传动效率 根据以上计算确定机构驱动电机最大速度、最大连续转矩、额定功率、减 速比及型号如下表所示。 表4 - 2 驱动电机参数 t a b l e4 - 2p a r a m e t e ro f t h e d r i v i n gm o t o r 尺寸m m 额定功率最高转速最大连续减速箱传