1、基于光學(xué)定位的精確調(diào)節(jié)的多功能腕關(guān)節(jié)摘 要：現(xiàn)代機(jī)器人腕關(guān)節(jié)主要有柔性手腕，串聯(lián)腕關(guān)節(jié)如pitch-roll-yaw。工業(yè)機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)為了獲得較大的調(diào)整方位，不得不把關(guān)節(jié)臂做的很長。而被動機(jī)構(gòu)的腕關(guān)節(jié)又很難做到主動精確的調(diào)整。面對未知的工作環(huán)境時(shí)，這種手腕不具有通用性。本文提出一種具有萬向調(diào)節(jié)精確定位的機(jī)器人腕關(guān)節(jié)。并以頜面外科手術(shù)為背景，設(shè)計(jì)了一個(gè)樣機(jī)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)萬向調(diào)節(jié)，精確定位。關(guān) 鍵 字：顱頜面外科手術(shù) 萬向調(diào)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、精確定位Universal adjustment with precise positioning

2、60;robot wristAbstract: Craniomaxillofacial surgery is complex and high-risk that the surgical margin involves some vital organs such as brain and eye covers, there are some inherent difficulties in surgery.At present in the craniomaxillofacial surgery, surgical repair of implant geometry error

3、 and positioning error is hard to reduce to within 1mm to patients, as a result, this surgery is difficult to meet the precise repair of surgical patients with head requirement of treatment and affect the treatment effect. Currently, computer aided technology and medical robots make the enormous imp

4、etus in the development of the craniomaxillofacial surgery, they are the important way to solve the hard part of the surgery. This paper presents a Wrist joint structure that can realize end accurate positioning and posture universal adjustment, this can greatly reduce some development surgery opera

5、tion difficulty and improve the surgical precise positioning. And supporting proposes an effective end wrist operating procedures, thus to improve surgical precision.Craniofacial surgery is complicated and high-risky,which refers to the brain and eye covers and other important organs,and there are s

6、ome inherent difficulties in the surgery.Currently, during the craniofacial surgery,the geometry error and positioning error of surgical repair implant is difficult to reduce to as small as 1mm or less,which can't meet the requirement of the patients' surgery on accurate repair skull,thus in

7、fluencing the curing effect. Currently, computer-aided technology and medical robots have played great roles in promoting the development of craniofacial surgery,which is the most important solution to the current difficulties in craniofacial surgery. This paper proposes a wrist structure that can p

8、recisely positioning the end and adjust postures to all directions,which can greatly reduce some difficulties of developing surgical operations and improve the operation's accurate position. Also the paper relatively raise an practically effective operating procedure of the end of the wrist, whi

9、ch can improve the surgical precision.Key word: Craniofacial surgery, Universal adjustment,robot wirst ,precise positioning前言 對于機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)在研究和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，由于應(yīng)用環(huán)境的不同，很難做到機(jī)器人機(jī)構(gòu)的模塊化。工業(yè)上最常見的是歐拉手腕，即末端3個(gè)關(guān)節(jié)的軸線相交一點(diǎn)，也有學(xué)者對偏置型手腕進(jìn)行了研究，由于在反解上很難得到封閉解、或者該種偏置型結(jié)構(gòu)只能是前3個(gè)關(guān)節(jié)比較特殊才存在解。希望在存在反解又需要大范圍的調(diào)整空間，不得不將手腕關(guān)節(jié)的第二關(guān)節(jié)做的很大。自從

10、機(jī)器人先驅(qū)之稱的Ole Molaug提出柔性手腕之后，各種柔性手腕得以研發(fā)，如Trallfa噴漆機(jī)器人，日本的Pentol機(jī)械手，撓性件傳動。但是最具代表的Trallfa由于其球形齒輪副的制造困難難以應(yīng)用。單純的球關(guān)節(jié)雖然擁有很大的調(diào)整范圍，但是球形電機(jī)的研發(fā)制約這種單純的球關(guān)節(jié)的應(yīng)用。針對目前手腕結(jié)構(gòu)大方位精確調(diào)整的要求，而且不同的工作環(huán)境需要不同調(diào)節(jié)方式，對于腕關(guān)節(jié)的各個(gè)關(guān)節(jié)范圍存在這限制，因此本文提出一種基于光學(xué)定位的主動歐拉關(guān)節(jié)+被動球關(guān)節(jié)的腕關(guān)節(jié)，利用被動關(guān)節(jié)的大范圍和主動關(guān)節(jié)的精確調(diào)整，利用光學(xué)定位儀在使用前對被動關(guān)節(jié)的標(biāo)定，使得整個(gè)手腕具有很高的精度而且具有很大靈活性。同時(shí)改變被

11、動關(guān)節(jié)的借口，實(shí)現(xiàn)手腕的模塊化設(shè)計(jì)。目前文獻(xiàn)中尚未有這種方法。以顱頜面外科手術(shù)作為背景，設(shè)計(jì)一個(gè)該種手腕及其控制系統(tǒng)，應(yīng)用矢量分析法分析了手腕的精度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。2新腕關(guān)節(jié)工作原理 針對以上的各種腕關(guān)節(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用歐拉手腕串聯(lián)一個(gè)可以用光學(xué)定位儀標(biāo)定 的被動球關(guān)節(jié)，旨在提高普通歐拉手腕的運(yùn)動范圍及其靈活性。對于普通的歐拉手腕如圖，我們?nèi)?關(guān)節(jié)的軸線方向?yàn)閳?zhí)行器的z方向。4關(guān)節(jié)為360°轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，5關(guān)節(jié)為-90°90°的擺動關(guān)節(jié)，所以3個(gè)主動關(guān)節(jié)能調(diào)整的范圍為一個(gè)半球如圖所示。 當(dāng)在第6關(guān)節(jié)末端加上被動球關(guān)節(jié)后，之所以是球關(guān)節(jié)而不是再增加一個(gè)

12、主動關(guān)節(jié)，是因?yàn)樵谝粋€(gè)主動關(guān)節(jié)只能是提高它的范圍，而沒有提高手腕的靈活度，一旦前3個(gè)關(guān)節(jié)在空間上有位置限制，變不能實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)整。而球關(guān)節(jié)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。末端執(zhí)行器方向可以調(diào)整，這樣這個(gè)手腕的調(diào)節(jié)范圍發(fā)生了變化，如下圖所示。 對于不同的球關(guān)節(jié)方向，其主動關(guān)節(jié)調(diào)整姿態(tài)的調(diào)整中心線，即末端執(zhí)行器z方向不同。當(dāng)球關(guān)節(jié)的調(diào)整方位為-90°90°即末端執(zhí)行器方向1和末端執(zhí)行器方向3，由圖可知，此結(jié)構(gòu)擁有整個(gè)球面的調(diào)整姿態(tài)范圍。3.運(yùn)動學(xué)分析及仿真：1.手腕模型數(shù)學(xué)建模如圖4所示，手腕的各連桿從基座開始編號，依次、I、2和3，i連桿的坐標(biāo)系i設(shè)在i連桿的下關(guān)節(jié)處，其坐標(biāo)系為 其中被

13、動球關(guān)節(jié)可以假定末端坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn) 和繞新的x軸旋轉(zhuǎn) 末端姿態(tài)a=b*c其中c中的變量可以有光學(xué)導(dǎo)航儀測出，故c是一個(gè)定常的變換舉證。2.Matab仿真：下面以一個(gè)操作手腕存在約束的情況下的運(yùn)動空間，即只能在很小的的范圍內(nèi)變化。以末端工具坐標(biāo)系在基坐標(biāo)系中的位姿矩陣.=對于歐拉手腕來講，球心點(diǎn)到末端操作點(diǎn)的直線就是末端執(zhí)行方向。而對于一個(gè)機(jī)器人來說，無論前面調(diào)整位置的關(guān)節(jié)如何變化都只是改變球心點(diǎn)的位置而已，因此，我們在計(jì)算手腕姿態(tài)時(shí)，便可以以球心點(diǎn)為斷點(diǎn)，即假設(shè)球形點(diǎn)為手腕的基點(diǎn)，而只要計(jì)算末端點(diǎn)在基點(diǎn)坐標(biāo)系下的位置就可以用來評估末端工具的姿態(tài)和靈活度。即末端點(diǎn)能到達(dá)的范圍大小即為手腕的。原

14、夾角范圍需要的操作范圍（特征點(diǎn)）（090°）（a，b，c）（-0.8915，0.4252，0.1564）（0.5624，0.1564，0.5624）（0.1564，-0.0392，0.9969）(-30°60°)（090°）將特征點(diǎn)的數(shù)值帶入到正運(yùn)動學(xué)中，求出各個(gè)關(guān)節(jié)的，得到三組a，b，c的解為：,可以看出這3組解均不在原夾角范圍內(nèi)。對于在末端增加一個(gè)被動球關(guān)節(jié)來說，其只影響手腕的調(diào)節(jié)的方向，而不影響手腕調(diào)節(jié)的長度。故可以看做被動球關(guān)節(jié)是在歐拉手腕調(diào)整之后，再進(jìn)行調(diào)節(jié)的關(guān)節(jié)，即在原來的D-H矩陣中增加兩個(gè)已知的矩陣。其坐標(biāo)原點(diǎn)也就是歐拉手腕的球心點(diǎn)。新的

15、關(guān)節(jié)范圍需要的操作范圍（特征點(diǎn)）（090°）（a，b，c）（-0.8915，0.4252，0.1564）（0.5624，0.1564，0.5624）（0.1564，-0.0392，0.9969）(-30°60°)（090°）（090°）（090°）將特征點(diǎn)的數(shù)值帶入到正運(yùn)動學(xué)中，求出各個(gè)關(guān)節(jié)的、可以看出3個(gè)方程有5個(gè)未知數(shù)，也就是方程存在多解。然而由于是被動球關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角，是可以通過光學(xué)導(dǎo)航儀測量出來，且是個(gè)固定值。故可以求出三組。,.可以看到三組解均在要求的范圍之內(nèi)。仿真結(jié)果：首先設(shè)定幾個(gè)特征點(diǎn)，在三維圖中畫出需要達(dá)到的姿態(tài)（以直

16、線的形式表示），然后給給一定步長的原先的運(yùn)動空間，求解出末端工具末端點(diǎn)的曲面?？梢钥闯鲋本€并沒有穿透曲面。給正運(yùn)動學(xué)新的關(guān)節(jié)范圍，求解末端工具末端點(diǎn)的曲面?？梢钥吹街本€穿過了曲面。再給不同的的值，求解出不同的曲面，如下圖。從圖中，我們可以看到曲面的形狀大小，均沒有變化，只是位置有所不同，有的被直線穿過，有的并沒有被直線穿過。這樣我們可以得到這樣的結(jié)論：假設(shè)實(shí)際操作中，該直線就是最常操作的位置或者最佳操作位置，我們希望手腕的操作空間是以該直線為中心的，因此我們就可以調(diào)節(jié)使得操作空間以該直線為中心。2.或者當(dāng)實(shí)際操作時(shí)，并不需要連續(xù)的操作空間時(shí)，而需要較大的操作空間時(shí)，我們也可以通過調(diào)節(jié)，而不改變

17、歐拉手腕結(jié)構(gòu)即可以達(dá)到目的。3.對于一些未知的環(huán)境，或者難以測量手腕究竟是需要哪個(gè)方向的操作空間，對于反推設(shè)計(jì)機(jī)器人的來說十分困難，而對與該手腕結(jié)構(gòu)不存在這樣的問題，可以調(diào)整到任何需要的操作空間。以顱頜面外科手術(shù)為背景設(shè)計(jì)一個(gè)該結(jié)構(gòu)的腕關(guān)節(jié)現(xiàn)代顱頜面外科手術(shù)包括顱底手術(shù)、血管化腓骨瓣移植頜骨重建手術(shù)、眶壁重建手術(shù)、正頜手術(shù)。有手術(shù)操作工具繁多、程序復(fù)雜、定位精度及幾何精度差等難點(diǎn)問題。對于正頜手術(shù)，如圖所示，對于手術(shù)空間在50mm*50mm*50mm的范圍，然而因?yàn)槊總€(gè)人的升值并不相同，術(shù)后的姿態(tài)要求也不盡相同，實(shí)際操作中，醫(yī)生多憑感覺調(diào)整患者的升值骨頭。所以很難給出具體機(jī)器人操作是手腕究竟是

18、以個(gè)什么樣的姿態(tài)來調(diào)整。 一般的手腕結(jié)構(gòu)由于機(jī)械上的限制，很難實(shí)現(xiàn)大范圍的姿態(tài)調(diào)整。一般我們知道，對于固定的機(jī)器人的運(yùn)動空間，在不同的末端點(diǎn)是存在不同的靈活工作空間的。固實(shí)際操作時(shí)，我們希望末端執(zhí)行器的方向能處于一個(gè)最優(yōu)的位姿，不幸的是很難去找到一個(gè)對應(yīng)末端點(diǎn)的最優(yōu)的末端執(zhí)行器的位姿。由于并不能確定最優(yōu)的姿態(tài)，常規(guī)做法是盡量設(shè)計(jì)大手腕調(diào)整空間，這樣就不得不使得機(jī)械結(jié)構(gòu)特別大，影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。 依據(jù)上文的想法，制造了一種主動調(diào)整關(guān)節(jié)的精確調(diào)整和被動的球關(guān)節(jié)的粗略調(diào)整的腕關(guān)節(jié)，其中主動調(diào)整關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動控制，可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的微調(diào)，而其緊湊精確的關(guān)機(jī)形式不僅保證了逆運(yùn)動學(xué)的求解，而且實(shí)現(xiàn)了精確的定

19、位。其中帶有鎖緊機(jī)構(gòu)的被動球關(guān)節(jié)能使末端執(zhí)行器粗略的調(diào)整姿態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)末端姿態(tài)的萬向調(diào)整。手腕性能分析：采用LMS（Vistrual Lab Motion）軟件，對機(jī)械臂進(jìn)行動力學(xué)仿真，首先在LMS仿真系統(tǒng)中建立機(jī)械臂3維CAD模型，通過該模型，可以獲得運(yùn)動學(xué)，幾何尺寸、傳動比、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量等，作為動力學(xué)仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，通過仿真系統(tǒng)讀取手腕的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)劃數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式的插值分析，可以得到各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)動速度、扭矩和受力情況等參數(shù)，進(jìn)而選定電機(jī)和減速器型號，并對手腕進(jìn)行后續(xù)的有限元分析。 腕關(guān)節(jié)的5關(guān)節(jié)的電機(jī)座是手腕的重要機(jī)械部件，在運(yùn)動過程中承受最大的力和和扭矩，

20、以此為例，介紹引用有限元分析方法，實(shí)現(xiàn)手腕的輕量化和高剛度。經(jīng)過多次反復(fù)的改變零件上孔的大小、形狀、位置，使得整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少？結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)的核心，多自由度系統(tǒng)振動的同時(shí)有多階模態(tài)存在，通常的模態(tài)參數(shù)主要包括頻率、振型等。利用ansys軟件進(jìn)行模態(tài)分析得到上述腕關(guān)節(jié)零件的低階固有頻率和對應(yīng)的振型。從控制的角度上來講，應(yīng)該避免驅(qū)動該關(guān)節(jié)的電機(jī)工作在上述的固有頻率上，避免發(fā)生共振。從圖？為該零件的前二階振型，可以看到發(fā)生共振的情況下零件主要變形集中在 ？，主要在零件變形較小的區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)，最終達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化和高剛度的設(shè)計(jì)目的。為了保證前端歐拉手腕的三軸線相交于一點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)及加

21、工上對關(guān)節(jié)軸線做了定位，利用止口，卡槽等方式保證軸線相交與一點(diǎn)，然實(shí)際由于加工和裝配的問題，不可能出現(xiàn)軸線相交與一點(diǎn)，但由于手腕臂長尺寸小。同矢量分析，可認(rèn)為三軸線交于一點(diǎn)。首先分析3軸線不相交于一點(diǎn)時(shí)，末端的誤差，如下圖。指手腕3個(gè)關(guān)節(jié)軸線方向。由于3個(gè)關(guān)節(jié)均是電機(jī)直接驅(qū)動，不考慮關(guān)節(jié)軸線傾斜的問題。俯視圖 3軸之間的位置 前視圖3軸之間的誤差由圖可以看出是4關(guān)節(jié)的軸線和5關(guān)節(jié)軸線的公垂線的長度，同樣是關(guān)節(jié)5軸線和6關(guān)節(jié)軸線的公垂線的長度，d是4關(guān)節(jié)和6關(guān)節(jié)的軸線公垂線的長度。按照制造誤差，IT7, 基本尺寸2530mm 、的誤差均為0.025mm再分析球心的關(guān)于4關(guān)節(jié)的位置誤差，同樣4關(guān)節(jié)

22、電機(jī)直接驅(qū)動，那么誤差主要是4臂桿的長度誤差，查表可得 誤差為=0.013mm。手腕結(jié)構(gòu)到末端執(zhí)行器的誤差，主要有兩方面。1，機(jī)械的制造誤差，2光學(xué)導(dǎo)航儀的標(biāo)定誤差。機(jī)械上的誤差是指6臂桿的長度誤差，查表可得0.063mm。光學(xué)導(dǎo)航儀經(jīng)檢測，其誤差為0.25mm。導(dǎo)航上在機(jī)械上造成的誤差以上誤差分析均假設(shè)材料為剛性，不存在彈性變形。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)采用積分微分分離PID算法，具體算法如下：根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為的設(shè)定一閾值當(dāng)時(shí)，即偏差值比較大時(shí)，采用PD控制，可以避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。當(dāng)時(shí)，即偏差值較小時(shí)，采用PID控制，可以保證系統(tǒng)的控制精度。設(shè)當(dāng)，=1；當(dāng)，=0；以位置式

23、PID算式為例，寫成積分分離形式為當(dāng)，取=0，進(jìn)行PD控制，PD控制算法為當(dāng) 時(shí)，取 =1，進(jìn)行PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，即式中，實(shí)驗(yàn)：在工作之前，被動球關(guān)節(jié)先確定大概末端執(zhí)行器的位姿，使得末端執(zhí)行器以一個(gè)較為舒適的姿態(tài)面對操作區(qū)。然后鎖緊被動球關(guān)節(jié)，這樣6關(guān)節(jié)到末端的姿態(tài)變換矩陣就確定了，設(shè)為T這里可以用定位儀測量出. 假設(shè)末端要求的姿態(tài)為。、為前3個(gè)主動關(guān)節(jié)的姿態(tài)變換矩陣。根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型和D-H參數(shù)，可以確定經(jīng)3個(gè)主動關(guān)節(jié)后，姿態(tài)變換為=，在經(jīng)過球關(guān)節(jié)調(diào)整，末端的姿態(tài)為= 也就說由和決定的，由于是被動球關(guān)節(jié)的姿態(tài)變換矩陣，那么當(dāng)我們能夠設(shè)定,即為的粗略值，設(shè) ，即為調(diào)整值，由于是由伺服電機(jī)所控制的。能起到精確控制.可以將末端被動球關(guān)節(jié)與末端執(zhí)行器的接口作出通用接口。這樣對于不同要求的姿態(tài)調(diào)整空間，只需更換末端執(zhí)行器，和調(diào)整被動球關(guān)節(jié)、初始的標(biāo)定