柔性機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模及視覺(jué)伺服控制.pdf

1、隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步,機(jī)器人技術(shù)也不斷推陳出新,傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人采用硬質(zhì)材料,自由度有限,難以滿足日益增長(zhǎng)的安全性和靈活性需求,由于其工作空間大、柔順性差,因而也不適用于狹窄和擁擠的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,在這種背景下,軟體機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。
　　軟體機(jī)器人的靈感最初來(lái)源于自然界的生物,研究人員通過(guò)對(duì)哺乳動(dòng)物舌頭、大象鼻子和章魚(yú)觸手等結(jié)構(gòu)的觀察和研究,發(fā)現(xiàn)了生物改變自身形狀和尺寸以適應(yīng)不同環(huán)境和任務(wù)的生理和運(yùn)動(dòng)機(jī)制,并將其用于機(jī)器人的設(shè)計(jì)和

2、開(kāi)發(fā)。與剛體機(jī)器人、離散冗余度機(jī)器人、硬質(zhì)連續(xù)體機(jī)器人相比,軟體機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在材料方面。軟體機(jī)器人大多由柔性材料制作而成,材料本身具有的柔韌性和連續(xù)型,使軟體機(jī)器人擁有無(wú)窮多個(gè)自由度,不僅確保了安全性,而且提升了靈活性,使得軟體機(jī)器人能夠在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化或非機(jī)構(gòu)化環(huán)境中自如地運(yùn)動(dòng)。軟體機(jī)器人的上述特性,使之特別適用于微創(chuàng)手術(shù)、探索營(yíng)救等應(yīng)用領(lǐng)域。
　　雖然軟體機(jī)器人表現(xiàn)出種種其他類型機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),但也不可否認(rèn),目前軟

3、體機(jī)器人的研究還存在諸多技術(shù)難題,嚴(yán)重制約了它的實(shí)際應(yīng)用,其中最為突出的兩點(diǎn),一是建立準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,二是實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。
　　本文針對(duì)心臟外科微創(chuàng)手術(shù)中的消融操作,設(shè)計(jì)了一個(gè)線驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械臂系統(tǒng),建立了柔性機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,提出了自適應(yīng)視覺(jué)伺服控制器,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型和控制器的有效性。本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)概述如下:
　　1.設(shè)計(jì)了一個(gè)線驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械臂系統(tǒng)。該柔性機(jī)械臂通體由硅膠灌注而成,內(nèi)部無(wú)

4、任何剛性結(jié)構(gòu),外部驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)牽拉嵌在其中的拉線,可使柔性機(jī)械臂產(chǎn)生一定程度的偏轉(zhuǎn)和彎曲。
　　2.建立柔性機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；诜侄纬Ｇ实募僭O(shè),建立了三個(gè)空間和兩個(gè)映射,即驅(qū)動(dòng)空間、虛擬關(guān)節(jié)空間、任務(wù)空間和驅(qū)動(dòng)空間-虛擬關(guān)節(jié)空間映射、虛擬關(guān)節(jié)空間-任務(wù)空間映射,將4根拉線的長(zhǎng)度變化量和柔性機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)聯(lián)系起來(lái)。
　　3.建立了柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。基于拉格朗日力學(xué),分析了柔性機(jī)械臂每一小段的動(dòng)能、彈性