發(fā)布時間：2020-04-24 05:48

【摘要】：同構(gòu)式主從遙操作系統(tǒng)的操作過程形象直觀,含中間被動分支的少自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高,兩者結(jié)合可以成為控制簡單、隨動靈活的主從操作手系統(tǒng)。選取一種含中間被動分支的并聯(lián)機構(gòu)和柔性手指機構(gòu)組成混聯(lián)操作手,將中間被動分支拓展應用于外科手術領域。本文主要研究混聯(lián)手術操作手的主動端控制手機構(gòu),對所選機構(gòu)的性能和控制系統(tǒng)的原理進行了分析,為探索該類型主從遙操作系統(tǒng)的應用提供了理論依據(jù)。結(jié)合人機工程學選取主要零部件,設計了主動端控制手裝置。利用CAD軟件的二次開發(fā)技術,繪制了控制手機構(gòu)的操作空間。在矢量法基礎上推導出機構(gòu)的運動學解析模型,利用Matlab對解析模型和仿真模型同步求解,兩組結(jié)果進行對比,驗證了運動學模型的正確性�；谔摴υ砗瓦_朗貝爾原理,建立了含彈簧作用的控制手機構(gòu)的靜力學與動力學解析模型,借助Adams搭建的虛擬樣機對力學解析模型進行驗證。根據(jù)運動學和力學分析結(jié)果,建立控制手分支彈簧剛度模型。以三種特定運動為例,分析彈簧剛度對操作力的影響,以及機構(gòu)在不同位姿下的靈巧度變化。提高了對機構(gòu)性能的認識,對改善控制手的操作體驗,優(yōu)化機構(gòu)的尺寸設計提供了思路。選用“PC+運動控制卡”作為上位控制系統(tǒng),利用直線位移傳感器檢測主動端控制手的分支位移信號,從動端操作手以電動缸為執(zhí)行元件,分支傳感器提供實際位移反饋量,由此建立主從端位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。以單分支主從系統(tǒng)為例,將伺服電機和絲杠傳動系統(tǒng)的模型進行簡化處理,推導出控制系統(tǒng)的傳遞模型。為了提高主從端位置隨動性能,將模糊自適應PID算法用于控制系統(tǒng)。利用Simulink搭建控制系統(tǒng)的仿真模型,觀察系統(tǒng)階躍響應曲線,驗證了優(yōu)化后的算法對于系統(tǒng)性能的提升作用。
【圖文】：

用萬向副連接。SPS 分支和 UPU 分支共同組成連接機座和動平臺的驅(qū)動分支。SP 分支作為機構(gòu)的被動分支，不能作為運動輸入端參與到機構(gòu)的運動控制中，只能作為被動約束存在來限制機構(gòu)的運動規(guī)律。然而，本次設計的手術操作手裝置中，SP 分支承載了兩項功能的實現(xiàn)，包括手指驅(qū)動的傳遞和作為醫(yī)療手術功能的拓展空間。SP分支的外側(cè)軸套用于固定電動推桿，推桿連接的內(nèi)側(cè)軸套用于帶動手指驅(qū)動件，間接作用于手指機構(gòu)，使得手指協(xié)調(diào)張開或者閉合。SP 分支最內(nèi)層保留空腔，作為手術功能的預留空間，可以根據(jù)不同要求實現(xiàn)調(diào)整。圖 2-3 是手術操作手的抓手模型，由 4 組手指機構(gòu)和 4 組欠驅(qū)動分支組成，圖示依次展示了手指的分布和單個手指的連接情況。手指機構(gòu)和欠驅(qū)動分支成對出現(xiàn)，4組手指呈均勻的圓周分布。這種空間對稱式分布保證了手抓在抓取時的性能穩(wěn)定，有利于抓取物的各向固定，四指同時動作也有利于抓取動作的可靠性。圖示單個分支有兩個鉸接點，分別與內(nèi)側(cè)軸套驅(qū)動件和欠驅(qū)動分支連接。欠驅(qū)動分支由彈簧阻尼系統(tǒng)來實現(xiàn)緩沖功能。

用萬向副連接。SPS 分支和 UPU 分支共同組成連接機座和動平臺的驅(qū)動分支。SP 分支作為機構(gòu)的被動分支，不能作為運動輸入端參與到機構(gòu)的運動控制中，只能作為被動約束存在來限制機構(gòu)的運動規(guī)律。然而，本次設計的手術操作手裝置中，SP 分支承載了兩項功能的實現(xiàn)，包括手指驅(qū)動的傳遞和作為醫(yī)療手術功能的拓展空間。SP分支的外側(cè)軸套用于固定電動推桿，推桿連接的內(nèi)側(cè)軸套用于帶動手指驅(qū)動件，間接作用于手指機構(gòu)，使得手指協(xié)調(diào)張開或者閉合。SP 分支最內(nèi)層保留空腔，作為手術功能的預留空間，可以根據(jù)不同要求實現(xiàn)調(diào)整。圖 2-3 是手術操作手的抓手模型，由 4 組手指機構(gòu)和 4 組欠驅(qū)動分支組成，圖示依次展示了手指的分布和單個手指的連接情況。手指機構(gòu)和欠驅(qū)動分支成對出現(xiàn)，4組手指呈均勻的圓周分布。這種空間對稱式分布保證了手抓在抓取時的性能穩(wěn)定，，有利于抓取物的各向固定，四指同時動作也有利于抓取動作的可靠性。圖示單個分支有兩個鉸接點，分別與內(nèi)側(cè)軸套驅(qū)動件和欠驅(qū)動分支連接。欠驅(qū)動分支由彈簧阻尼系統(tǒng)來實現(xiàn)緩沖功能。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH77

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本文編號：2638598