主－从式空间遥控机器人STANFORD型主机械手的平衡系统

保持在任何位置和姿态下的随遇平衡是主－从式机器人的关键技术之一，本文介绍ＳＴＡＮＦＯＲＤ型主机械手平衡系统的工作原理和在结构上具体实现的方法。从理论分析和工艺方法诸方面说明其合理性和实用性。

STANFORD型主机械手平衡系统

本文介绍６自由度ＳＴＡＮＦＯＲＤ型主机械手的平衡系统，并从位姿矩阵分析和动态力学解算等方面论证其合理性。

具有交互夹持力感觉的主从触感装置

面向血管显微外科手术,研究开发了一套具有交互夹持力感觉的主从触感装置．提出了主操作手的基本设计原则,并应用可操作性基本原理与方法进行机构构型综合,设计了主操作手的夹持力感觉装置;建立了主操作手的多体动力学模型,对运动过程中各关节动态特性进行仿真验证;基于夹持力的数学模型,分析了手指系统在不同模式下夹持力与运动关系．对整套系统进行性能测试与动物实验研究．实验结果表明:主操作手基于可操作性原理的综合构型具有较好的动力学特性,适合医生操作;手指的夹持力与两弹簧的弹力差成正比;该装置能够实现主从操作下的交互夹持力感觉．

主从式微创手术机器人系统附加反馈力补偿策略

为消除由于主手的动力学特性所产生的附加反馈力对微创手术机器人系统透明性的影响,根据拉格朗日定理,建立了包含关节耦合摩擦力的主手(Phantom Desktop)动力学模型,并通过参数辨识实验求出了主手的相关参数;根据主手的动力学模型,提出了附加反馈力补偿策略并进行了遥操作实验。实验结果表明:本文提出的附加反馈力模型可以准确地描述真实的附加反馈力。

主从式微创手术机器人主手结构设计及运动学分析

为提高微创手术中从手端的执行精度和控制端力觉临场感的真实程度,利用反求设计方法设计了一种串联6+1自由度主手机械结构。根据变异设计方法,基于大、小臂内部闭环传动钢丝存在中心距过大的情形,采用刚柔结合传动结构,并对其进行理论推导和参数化分析;构建主手正运动学模型,运用Matlab和ADAMS进行联合仿真;并通过蒙特卡洛方法对主手实际运动空间与要求工作空间的三维对比云图进行仿真。结果表明:与纯钢丝传动结构相比,在给定8 N预紧力情形下,刚柔结合传动结构在传动行程内减小传动空回误差0.056 mm;由Matlab和ADAMS得到的主手运动轨迹基本重合,说明所构建的正运动模型正确,主手结构设计合理;主手运动空间完全满足微创手术的工作空间要求(准150 mm×250 mm)。

基于模型预测控制的协作焊接双机械臂轨迹跟踪算法

焊接双机械臂协作焊接时,存在从动机械臂对主机械臂末端位置的轨迹跟踪的精确性问题,课题组提出了基于模型预测控制算法的主/从位置协调控制方法。根据所建立的六自由度双机械臂的运动学模型,建立末端位置与关节角度的变换关系以及机械臂的运动预测模型;通过上述模型,对主机械臂采用位置控制方法,并通过从动机械臂末端的三维激光扫描仪测距传感器所获取的主机械臂位置及方向,对从动机械臂采用基于模型预测控制算法的位置控制;根据机械臂关节角度变换旋转运算序列及末端位置的预测模型,通过动态矩阵控制算法,由当前时刻的位置状态及下一时刻位置输入状态对未来某时域内的位置输出状态进行预测,从而实现期望的位置跟踪。最后,采用仿真实验测试来验证该算法的实用有效性,结果表明:从动机械臂末端在有较小超调的情况下快速达到稳态,实现对期望轨迹的跟踪;与传统PID控制算法相比,模型预测控制算法能够更快速、更稳定地达到对期望轨迹的跟踪效果;该算法对期望轨迹的跟踪误差在有小幅波动的情况下可保持在±0. 05 mm之内,在无波动的情况下可迅速趋近于零。基于该算法,从动机械臂可根据主机械臂末端动态位置信息更加有效地实现对期望轨迹的实时跟踪。