腹腔微创手术机器人远心机构多目标优化_牛国君.pdf
《腹腔微创手术机器人远心机构多目标优化_牛国君.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《腹腔微创手术机器人远心机构多目标优化_牛国君.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷第期 年月 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();浙江省自然科学基金资助项目();机器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目()作者简介:牛国君(),男,山东枣庄人,博士,讲师,研究方向为微创手术机器人、机器人控制;冯帆帆(),男,山西晋城人,硕士研究生,研究方向为微创手术机器人、机器人控制。腹腔微创手术机器人远心机构多目标优化牛国君,冯帆帆(浙江理工大学机械工程学院,浙江 杭州 )摘要:机器人辅助微创手术需要借助多条远心机构协调工作,为避免在微创手术中多个远心机构发生碰撞,提出含有个冗余旋转自由度的平行四边形机构,使其在手术过程中保持戳卡切口点不动,调整远心机构姿态避免发生
2、碰撞。为获得综合性能较优的冗余远心机构,提出一种含有个优化目标函数(运动学、刚度、紧凑性和动力学性能指标)、个约束条件(质量约束)和个优化变量(个连杆长度和关节夹角)的多目标优化模型,应用多目标遗传算法()求解上述问题。关键词:微创手术;平行四边形远心机构;冗余机构;遗传算法;多目标优化中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,(,),()()():;引言机器人辅助微创手术技术解决了传统微创手术许多问题,因此得到广泛应用。远心机构是机器人在微创手术中实现绕定点运动的重要执行机构,针对远心机构,文献文献 提出了不同的远心机构,但这些远心机构未充分考虑碰撞问题。为了弥补这一缺点,本文提出了
3、含有个冗余旋转自由度的平行四边形机构,使其在手术过程中保持戳卡切口点不动,调整远心机构姿态避免发生碰撞。为使提出的机构具有优良的性能,需要根据其实际应用场合等条件进行优化。文献文献 ()提出了相对应的优化指标对不同类型的远心机构进行优化。为使提出的含有个冗余旋转自由度的平行四边形机构具有优良的性能,对其进行多目标全局优化,以运动学性能指标、刚度性能指标、动力学性能指标和紧凑性作为目标函数,机构杆件质量、壁厚作为设计约束条件,利用 算法求解了多目标优化问题,得到了优化的杆长和关节夹角。远心机构运动学分析 正运动学分析该远心机构有个主动关节(、),前个均为旋转关节,第个是直线关节。采用法建立基坐标
4、系及机械臂各关节间的局部坐标系,如图所示,机械臂各关节变量的 参数如表所示。其中,基座标的原点放在远心点。图远心机构坐标系表各关节变量的参数连杆长度 关节转角 连杆偏距关节角 根据 参数表计算远心机构的正运动学,由各关节的齐次变换矩阵可以得到远心机构末端参考点相对于基坐标系的齐次变换矩阵为 ()其中,();();();();();();();为各关节角;和为转角和偏距;。逆运动学分析已知机械臂末端执行机构的位姿即(,)且已知、,求解、,计算结果为:()()()()()远心机构运动仿真为验证该远心机构正逆运动学的正确性,进行基于 和 工具箱混合仿真,仿真原理如图和图所示。图的 仿真是基于运动学算
5、法进行仿真,首先随机给定组关节角度值,通过正运动学得到远心机构末端在该组关节角度值下基坐标系中的位置参数,再将得到的参数代入逆运动学求得在此位姿下各关节变量的数值,若这组数值与初始输入关节度值一致则验证 了 运 动 学 的 正 确 性。图的 仿真图基于 的正逆运动学仿真原理图 仿真原理牛国君等:腹腔微创手术机器人远心机构多目标优化智能制造由部分组成,第部分是以 仿真中给定的关节角度值为初始条件,将其值输入到搭建的远心机构模型中,运行模型得到末端点在基座标系下的实际位置点坐标;第部分是以 仿真中的末端位姿为初始条件,用逆运动学解出主动关节角度值,将其值输入到搭建的模型中,运行模型后可以模拟远心机
6、构实际运动情况,然后得到末端点在基座标系下的实际位置点坐标。若基于 仿真得到的位置等于由 仿真得到的实际位置,则说明运动学分析得到的结果是正确的。给定机构参数,仿真分析的输入参数和输出参数如表所示。结果显示输入参数等于相对应的输出参数,验证了机构正逆运动学的正确性。表输入输出参数对照序号输入参数 序号输出参数 远心机构多目标优化 各性能指标分析 运动学性能指标运动学性能指标可以有效地反映机构的灵活性,灵活性在一些场合中直接决定了机构的优劣,因此可以用运动学性能指标来评价一个机构,也可以将此指标作为优化的目标。它包括可操作性指标、各向同性指标等,其中,可操作性表征的是整个机构把所施加的力变换成等
7、效运动的能力,也是机构在可以产生运动的方向上对力的反映和等效为运动的能力;机构的各向同性与其条件数的大小有关,条件数的值越小,机构表现出的各向同性就越好,即机构在可产生运动的各方向对力和运动的传递能力是大致相同的。综合考虑,可操作性指标更适用于远心机构的优化,若机构运动存在奇异性,它能够有效地表达出来,可操作性指标为 ()()()为关节角。为了使其适用于全局优化,把可操作性指标进行归一化处理,再运用于远心机构的优化中,处理之后的全局可操作性性能指标为 ()()与、之间的关系如图所示,其中的大小由颜色表示,当 、时,最小。图与、之间的关系 紧凑性性能指标机构紧凑性指标指的是各杆件相对位置的紧凑程
8、度,为了使该冗余远心机构的结构更加紧凑,需在机构优化中考虑机构紧凑性指标。为表征紧凑性的优劣引入参数,且根据实际情况限制在 之内。据此紧凑性指标定义为.()这里的紧凑性指标与正相关。与、之间的关系如图所示,其中用颜色表示的值,越小则越小。图与、之间的关系 机构刚度性能指标机构的刚度保证了其在受到外界约束时不会发 ()生过大的变形造成误差,为使设计的远心机构不会因刚度不足而造成末端医疗器械的偏差,有必要在优化目标函数中引入刚度性能指标。计算刚度性能指标需要用到柔度矩阵,在基坐标系下串联机器人第部分在末端执行器处所产生的柔度表示为()通常情况下,机构由多个关节和连杆组成,那么某一部分的柔度由前置部
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 腹腔 手术 机器人 心机 多目标 优化 国君
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。