医疗正骨并联机器人机构及运动学研究

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1、摘要并联机器人与串联机器人相比具有承载能力强、定位精度高等特点。近年来，并联机器人在医疗领域的应用逐渐成为研究的热点。本课题结合国家"863计划”项目“基于遥操作辅助医疗正骨机器人系统”进行，任务是设计用于完成正骨手术中牵引、复位操作的并联机器人，并对相关理论进行探讨。由于断骨错位的多样性和正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就必须保证其末端执行器具有较大的工作空间，且在工作空间内任何位置均具有给定的承载能力。针对上述要求，本文选取了具有较大工作空间的平行导路6-HTRT并联机构形式，并对机构外形尺寸和连杆受力进行了优化。连杆受力的优化结果使得虎克铰支

2、架趋于接近，虎克铰尺寸的大小直接影响到动平台尺寸的大小。为进一步减小动平台尺寸，本文第二章通过对虎克铰干涉的研究给出了一种可以将虎克铰尺寸优化到最小的方法。同时对并联机构自由度简化计算方法进行了研究断骨复位操作对并联机器人末端执行器的轨迹精度要求较高，而运动学研究是实现轨迹控制的基础。本文第三章对医疗正骨并联机器人进行了相应的运动学研究。连杆受力大小决定了虎克铰底面宽度，机构输入力大小决定了电机的选取。本文第四章求解了连杆力和机构输入力并进行了仿真。工作空间体积大小是并联机器人机构设计的重要参考指标之一，本文第五章给出了模型工作空间的概念并分析了机构位置模型工作空间满足

3、的数学约束。在此基础上用几何方法求解了机构的位置模型工作空间并研究了位置模型工作空间体积与机构结构尺寸参数间的关系。当并联机器人末端执行器产生较大转角时，便可能出现构件干涉。本文第二章给出了虎克铰干涉判定准则，用来判断成对匹配的虎克铰支架间相对运动时是否发生干涉;第六章指出了判断连杆间干涉的传统方法的不足并将其完善;还给出了判断不同连杆上虎克铰支架间干涉的方法。为验证作者提出的构件干涉判断方法的正确性，本文第六章进行了正骨并联机器人构件间干涉的仿真及实验研究。同时对正骨并联机器人的重复性位置精度进行了测量。关键词正骨;并联机器人;虎克铰;干涉;工作空间哈尔滨工业大学工学

4、硕士学位论文AbstractTheparallelmanipulatorhasmeritsofhighloadcapacityandhighlocationaccuracyascomparedwithserialrobot.Ithasbecomeahotresearchtopicinmedicalapplicationinrecentyears.Thisdissertationgoeswiththenational"863"item"ResearchonTeleoperationRobotassistantbonesurgerysystem"todesignthepar

5、allelrobotfordiaplasisandresearchcorrelativetheory.Duetovarietyofbreakingboneandoperationprojecttheendmanipulatorneedslargerworkspaceandappointedloadcapacity,sothattheparallelrobothadappliedabroader.Aimataboverequest,6-HTRTparallelrobotofparalleldriveformischoosedbythisdissertation.Exter

6、nalitydimensionofthisrobotandforceonlinkareoptimized.TheobjectofoptimizationistonearHookeJoint,sothatdimensionofmovingplatformisinfluencedbydimensionofHookeJoint.ThemethodbywhichcanoptimizesizeofHookeJointtotheleastisofferedinsecondchapterofthisdissertationwiththehelpofresearchinginterve

7、ntion.AsimplemethodtocountingDOFofparallelrobotisoferedinsecondchapterofthisdissertation.Theendmanipulatorisrequiredhighpathaccuracywhenitrepositsbreakingbone.Researchonkinematicsisbaseofpathcontrol.Correlativeresearchonkinematicsaboutsurgeryparallelrobotisaccomplishedint