3DOF-4RRRR⊥冗余并联驱动平台运动学分析及验证
Kinematics Analysis and Verification of 3DOF-4RRRR⊥ Redundant Parallel Drive Platform
- 机械传动 2022年46卷第5期 页码：76-84
- 作者机构：
1.北京信息科技大学 机电工程学院， 北京 100192
- 作者简介：
张少雄（1997— ），男，河北张家口人，在读硕士研究生；主要研究方向为机器人感知与控制。
- 基金信息：北京市科技计划项目(Z191100002019004)
DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.011
中图分类号：
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张少雄,李启光,刘令涛等.3DOF-4RRRR⊥冗余并联驱动平台运动学分析及验证[J].机械传动,2022,46(05):76-84.
Zhang Shaoxiong,Li Qiguang,Liu Lingtao,et al.Kinematics Analysis and Verification of 3DOF-4RRRR⊥ Redundant Parallel Drive Platform[J].Journal of Mechanical Transmission,2022,46(05):76-84.
张少雄,李启光,刘令涛等.3DOF-4RRRR⊥冗余并联驱动平台运动学分析及验证[J].机械传动,2022,46(05):76-84. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.011.
Zhang Shaoxiong,Li Qiguang,Liu Lingtao,et al.Kinematics Analysis and Verification of 3DOF-4RRRR⊥ Redundant Parallel Drive Platform[J].Journal of Mechanical Transmission,2022,46(05):76-84. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2022.05.011.
摘要
针对医用手术器械臂操作范围受限的问题，提出了一种基于4RRRR,⊥,对称正交并联连杆机械臂冗余驱动的3自由度手术器械臂平台。采用矢量封闭环方法推导出平台运动学方程，并根据各杆位置约束，使用数值搜索的方法分析计算了该平台的工作空间。在此基础上，运用Matlab完成了该平台的运动学正逆解数值仿真，通过正解验证逆解算例表明，误差精度可达10,-8,数量级；同时，运用Adams进一步对平台运动学逆解进行仿真，验证了其正确性。在实体样机上进行了实验验证，实验数据表明，基于平台运动学方程控制的平台位置误差为±1 mm、姿态误差为±1°。仿真和实验表明，基于该并联机械臂驱动的机构作为手术器械臂位置调整平台，可有效拓展手术器械臂操作空间的动态调整范围；运动学方程也为该类冗余并联机构后续的动态控制方法研究提供了重要的参考依据。
Abstract
In order to solve the problem of limited operation range of medical surgical instrument arm， a three-degree-of-freedom surgical instrument arm platform based on 4RRRR,⊥, symmetrical orthogonal parallel link manipulator is proposed. The kinematic equation of the platform is derived using the vector closed loop method， and the workspace of the platform is analyzed and calculated by using the numerical search method according to the position constraints of each bar. On this basis， the numerical simulation of the forward and inverse kinematics of the platform is completed by using Matlab， and the numerical example of the forward solution shows that the error accuracy can reach the order of 10,-8,. At the same time， the inverse kinematics of the platform is further simulated by Adams to verify its correctness. Experiments are carried out on a prototype， and the experimental data shows that the position error of the platform controlled by the kinematic equation of the platform is ±1 mm and the attitude error is ±1°. Simulations and experiments show that the mechanism driven by the parallel manipulator， as the position adjustment platform of the surgical instrument arm， can effectively expand the dynamic adjustment range of the operating space of the surgical instrument arm. The kinematics equation also provides an important reference for the follow-up dynamic control method of this kind of redundant parallel mechanism.
关键词
冗余并联机构运动学分析正逆解数值仿真Adams仿真实验验证
Keywords
Redundant parallel mechanismKinematics analysisNumerical simulation of forward and inverse solutionAdams simulationExperimental verification
references
王恩运，吴学谦，薛莉，等.外科手术机器人的国内外发展概况及应用［J］.中国医疗设备，2018，33（8）：115-119.
WANG Enyun，WU Xueqian，XUE Li，et al.Development and applicatio-n of surgical robots at home and abroad［J］.China Medical Devices，2018，33（8）：115-119.
于雪蕊.一种冗余驱动的Delta并联机构的特性及其实验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019：21-29.
YU Xuerui.Characteristic and experimental study of a redundant ac-tuated Delta parallel mechanism［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2019：21-29.
张浩强.4-RRR冗余并联机构的运动学分析［J］.机床与液压，2017，45（7）：154-157.
ZHANG Haoqiang.Dynamics analysis of DOF and 4-RRR parallel mechanism［J］.Machine Tool & Hydraulics，2017，45（7）：154-157.
干益明.2-PRU-2-UPR冗余驱动并联机构运动学分析与优化设计［D］.杭州：浙江理工大学，2019：17-26.
GAN Yiming.Kinematic analysis and optimization design of a 2-PR-U-2-UPR redundantly actuated parallel manipulator［D］.Hangzhou：Zhejiang Sci-Tech University，2019：17-26.
牛雪梅，高国琴，刘辛军，等.三自由度驱动冗余并联机构动力学建模与试验［J］.农业工程学报，2013，29（16）：31-41.
NIU Xuemei，GAO Guoqin，LIU Xinjun，et al.Dynamics modeling and experiments of 3-DOF parallel mechanism with actuation redundancy［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（16）：31-41.
李小汝，黄娟，李兴慧.新型3-DOF冗余并联机构运动学和工作空间分析［J］.机械传动，2019，43（7）：130-135.
LI Xiaoru，HUANG Juan，LI Xinghui.Kinematics and workspace analysis of a new type of 3-DOF redundant parallel mechanism［J］.Journal of Mechanical Transmission，2019，43（7）：130-135.
贾增钰，李瑞琴，李庠.空间8R髋关节康复并联机构的运动学分析［J］.机械传动，2022，46（2）：28-33.
JIA Zengyu，LI Ruiqin，LI Xiang.Kinematics analysis of spatial 8R hip joint rehabilitation parallel mechanism［J］.Journal of Mechanical Transmission，2022，46（2）：28-33.
文世坤，车林仙，杜力，等.三移动一转动4-PRP_aU并联机构运动学分析［J］.机械传动，2020，44（11）：121-126.
WEN Shikun，CHE Linxian，DU Li，et al.Kinematics analysis of 3T1R 4-PRP_aU parallel mechanism［J］.Journal of Mechanical Transmission，2020，44（11）：121-126.
YAO S，ZHANG X M，YU J，et al.Error modeling and calibration of a 4-RRRR redundant positioning system［J］.AIP Advances，2017，7（9）：95001-95009.
刘大炜，王立平.基于工作空间的4RRR冗余并联机构支链优化［J］.清华大学学报（自然科学版），2010，50（8）：1239-1242.
LIU Dawei，WANG Liping.Workspace-based architecture optimization of a 4RRR parallel kinematic machine with actuation redundancy［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2010，50（8）：1239-1242.
WU J，WANG J S，WANG L P，et al.Performance comparison of three planar 3-DOF parallel manipulators with 4-RRR，3-RRR and 2-RRR struct-ures［J］.Mechatronics，2010，20（4）：510-517.
周结华，彭侠夫，仲训昱.空间3自由度冗余驱动并联机构的运动学分析［J］.四川大学学报（工程科学版），2012，44（2）：221-226.
ZHOU Jiehua，PENG Xiafu，ZHONG Xunyu.Kinematics analysis of spatial 3-DOF parallel manipulator with redundant actuator［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2012，44（2）：221-226.
曲海波，方跃法，郭盛.一种新型4-UPU冗余驱动并联机构的运动学及工作空间分析［J］.新型工业化，2013，3（2）：34-43.
QU Haibo，FANG Yuefa，GUO Sheng.Kinematics and workspace analysis of a novel 4-UPU redundantly actuated parallel mechanism［J］.The Journal of New Industrialization，2013，3（2）：34-43.
鞠忠金.4SRRR足式爬壁机器人设计与分析［D］.秦皇岛：燕山大学，2020：27-48.
JU Zhongjin.Design and analysis of 4SRRR foot-type wall climbing robot［D］.Qinhuangdao：Yanshan University，2020：27-48.
全国自动化系统与集成标准化技术委员会.三自由度并联机器人通用技术条件：GB/T 38890-2020［S］.北京：中国标准出版社，2020：3-5.
China National Technical Committee for Automation Systems and Integration Standardization.General specifications for 3-degree of freedom parallel robots：GB/T 38890-2020［S］.Beijing：Standards Press of China，2020：3-5.
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