医疗机器人主操作臂多体动力学特性的研究

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1、医疗机器人主操作臂多体动力学特性研究摘要医疗机器人是工业机器人技术发展的重要方向之一。本论文提出了基于多体动力学理论的医疗机器人主操作臂设计方案，并对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控制系统软件。本文的工作主要集中在以下几个方面：(1)提出了两套关于主操作臂研究的技术路线，经过对二者的分析对比，最终采用了首先建立物理模型和运动学模型，然后引入多体动力学理论，再对模型进行改进的技术路线。(2)对天津大学研制的显微外科手术机器人系统MicroHand和美国SensableTechnologi

2、es公司生产的PHANToMDesktop力反馈操作器进行了结构分析，设计了符合本课题整体要求的医疗机器人主操作臂结构，并通过Pro/E软件建立了主操作臂的三维实体模型。(3)对所设计的主操作臂三维模型进行了结构简化，通过D-H方法推导了主操作臂的运动学方程，建立了主操作臂的运动控制数学模型。基于MicrosoftWindows2000操作系统，以MicrosoftVisualBasic6.0为平台，开发了医疗机器人主从操作臂的控制系统软件。(4)通过低序体阵列方法和邻接矩阵描述了主操作臂的拓扑结构，应用Kane方法建立了医疗机器人主操作臂的动力

3、学模型，并对所建立的动力学模型进行了分析。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。关键词：医疗机器人，主操作臂，多体动力学，Kane方程iRESEARCHONCHARACTERISTICOFMULTI-BODYDYNAMICOFMASTERMANIPULATOROFMEDICALROBOTABSTRACTMedicalrobotisoneoftheimportantdirec

4、tionsofdevelopmentofindustryrobottechnology.Inthisthesis,thedesignplanofmastermanipulatorofmedicalrobotbasedonthetheoryofmulti-bodydynamicsisputforward,thestructureofmastermanipulatorisdesigned,themodelofkinematicsanddynamicsisconstructed,andthecontrolsystemsoftwareofmasteran

5、dslavemanipulatorsofmedicalrobotisdeveloped.Themaintaskofthisthesisconcernsfollowingaspects.1.Tworoutesoftechnologyforresearchofmastermanipulatorareputforward.Aftertheanalysisoftheseroutes,theoneofconstructingthemodelofphysicalandkinematicsfirst,thenusingthetheoryofmulti-body

6、dynamics,andthenmendingtherouteischosen.2.AftertheanalyzingofthestructuresofthesystemofmicrosurgeryrobotnamedMicroHanddevelopedbyTianjinUniversityandthemanipulatorofforcereflectnamedPHANToMDesktopproducedbySensableTechnologiesCompany,thestructureofmastermanipulatorofmedicalro

7、botisdesigned.3.Thesimplestructureofmastermanipulatorisgiven.ByusingtheD-Hmatrix,themodelofkinematicsofmastermanipulatorisconstructed.ThecontrolsystemsoftwareofmasterandslavemanipulatorsofmedicalrobotisdevelopedbasedontheMicrosoftWindows2000andMicrosoftVisualBasic6.0.4.Depend

8、ingonthewayoflower-bodyarrayandconnectingmatrix,thetopologystructure