七自由度力反馈主手结构设计与仿真

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1、硕士学位论文七自由度力反馈主手结构设计与仿真STRUCTUREDESIGNANDSIMULATIONOFSEVENDOFFORCEFEEDBACKMANIPULATOR唐照坤哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工程硕士学位论文七自由度力反馈主手结构设计与仿真硕士研究生：唐照坤导师：付宜利教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242

2、.6U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTRUCTUREDESIGNANDSIMULATIONOFSEVENDOFFORCEFEEDBACKMANIPULATORCandidate:TangZhaokunSupervisor:Prof.FuYiliAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MechanicalEngineeringAffiliation:SchoolofMe

3、chatronicsEngineeringDateofDefence:July,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近年来，微创手术在外科手术中占的比重越来越大，但是传统微创手术过程中，医生操作起来易疲劳，而且容易在手术过程中产生误动作。机器人辅助微创手术能有效解决上述问题。在微创手术机器人的研制中，主手研究一直是其中的热点与难点。微创手术机器人对于工作空间大，操作灵活，同时具备力反馈功能的主操

4、作手的需求一直很强烈。本课题结合实际工程背景，研发一款性能优良的力反馈主操作手。本文首先对主手进行功能设计，依据功能设计的结果，对主手进行结构设计。使用增量式映射关系以及“专”字型布置方式完成手臂3自由度结构优化设计，在保证工作空间大小不变的前提下，有效缩短了杆件长度，使得结构更加紧凑。对手腕结构进行设计，详细设计高度集成且具有力反馈功能的4自由度手腕以及手柄夹持机构，完成手腕的具体结构设计工作。对主手进行运动学建模并验证其正确性，利用雅克比矩阵条件数对主手进行优化。使用改进的D-H参数法建立运动学模型，根据此模

5、型计算主手7个自由度的正运动学以及7个关节角度的逆运动学。利用Adams仿真与Matlab计算相对比的方法验证运动学模型的正确性。根据此运动学模型计算该主手的速度雅克比矩阵。选取雅克比矩阵条件数指标验证主手可操作度，结合雅克比矩阵条件数的倒数分析手臂部分奇异位形，并据此对机构参数进行优化设计，优化目标的满足使得目标工作空间具备较高的相对可操作度。对七自由度主手进行动力学建模。使用拉格朗日方程法建立主手3自由度手臂部分的动力学模型，使用凯恩方程法建立4自由度手腕部分的动力学模型。并使用仿真与计算相对比的方式，验证动

6、力学模型的正确性。对主手进行仿真研究。借用Adams动力学仿真，验证主手添加合理配重的必要性。借助JohnsHopkinsUniversity的实验结果，计算当主手在进行打结操作时，各关节电机的反馈力矩，计算主手各关节电机的反馈力矩输出情况，为电机的选型提供参考依据。对主手进行模拟缝合操作的综合仿真实验，验证该主手具备很好的实现常规操作的能力，具备较好的动力学特性。关键词：七自由度主手；力反馈；结构设计；运动学；动力学；综合仿真I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractInrecentyears,minim

7、allyinvasivesurgeryinsurgeryaccountedforanincreasingproportion,butthetraditionalminimallyinvasivesurgery,doctorsoperate,fatigue,poorsenseofimmersive,andpronetomalfunctionduringsurgery.Robot-assistedminimallyinvasivesurgerycaneffectivelyaddresstheseproblems.In

8、thedevelopmentofminimallyinvasivesurgicalrobot,themainhandresearchhasbeenoneofthehotanddifficult.Minimallyinvasivesurgicalrobothasbeenverystrongfortheworkspace,flexibleoperation,alongwith