【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 術(shù) 型 機(jī) 器 人 。 盡 管 它 們 的 形 態(tài) 各 有不 同 ， 但 它 們 都 有 一 個(gè) 相 同 的 特 點(diǎn) ， 就 是 能 夠 接 受 機(jī) 器 發(fā) 來(lái) 的 相 關(guān) 指 令 ， 精確 地 定 位 到 三 維 或 二 維 空 間 上 的 某 一 點(diǎn) 進(jìn) 行 作 業(yè) ， 從 而 完 成 相 關(guān) 的 功 能 。 本文 的 機(jī) 械 臂 在 RCM機(jī) 構(gòu) 中 是 起 連 接 作 用 的 零 件 ， 它 連 接 兩 個(gè) 關(guān) 節(jié) ， 它 的 長(zhǎng) 度 決 定著 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng) 中 心 與 整 體 機(jī) 構(gòu) 距 離 的 遠(yuǎn) 近 。第 五 部 分 是 末 端 執(zhí) 行 模 塊 ， 帶 動(dòng) 末 端 執(zhí) 行 器 的 插 入 運(yùn) 動(dòng) 。第 六 部 分 是 鋼 絲 繩 ， 對(duì) 于 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 器 人 而 言 ， 鋼 絲 繩 就 好 像 機(jī) 器 人 的神 經(jīng) 一 樣 ， 圍 繞 著 機(jī) 器 人 全 身 ， 牽 引 著 機(jī) 械 臂 的 每 個(gè) 動(dòng) 作 。第 七 部 分 是 舵 機(jī) ， 舵 機(jī) 的 主 要 功 能 是 為 機(jī) 械 臂 提 供 動(dòng) 力 。本 文 的 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) 虛 擬 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng) 中 心 機(jī) 構(gòu) ， 它 由 舵 機(jī) 做 驅(qū) 動(dòng) 力 ， 通 過(guò) 兩組 鋼 絲 繩 傳 動(dòng) ， 使 其 末 端 套 管 針 可 繞 虛 擬 中 心 二 維 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 并 沿 著 自 身 軸 線 進(jìn) 行插 入 運(yùn) 動(dòng) 。圖 塊 立 體 示 意 圖北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9 本 章 小 結(jié)本 章 簡(jiǎn) 單 介 紹 了 RCM。 介 紹 了 機(jī) 械 中 的 自 由 度 的 定 義 及 計(jì) 算 ， 通 過(guò) 自 由度 的 定 義 和 計(jì) 算 引 出 RCM 機(jī) 構(gòu) 的 定 義 ， 將 RCM 機(jī) 構(gòu) 引 入 本 文 里 ， 同 時(shí) 比 較了 RCM 機(jī) 構(gòu) 的 優(yōu) 點(diǎn) 介 紹 了 已 有 的 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM 機(jī) 構(gòu) 的 組 成 包 括 ： 軸承 外 套 、 軸 、 聯(lián) 軸 器 、 機(jī) 械 臂 、 末 端 執(zhí) 行 模 塊 、 鋼 絲 繩 和 舵 機(jī) ， 通 過(guò) 初 步 的查 閱 一 咨 詢 ， 力 求 機(jī) 構(gòu) 的 簡(jiǎn) 單 化 ， 緊 接 著 詳 細(xì) 地 介 紹 了 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 組 成 的 每 一 個(gè) 零 件 以 及 這 些 零 件 在 機(jī) 構(gòu) 中 所 起 的 作 用 ， 最 后 提 出 繩 驅(qū) 動(dòng)RCM 機(jī) 構(gòu) 原 理 。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）103. 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM 機(jī) 構(gòu) 分 析 概 述本 章 重 點(diǎn) 的 分 析 了 雙 平 行 四 桿 型 RCM 機(jī) 構(gòu) 和 等 比 同 向 傳 動(dòng) 型 RCM 機(jī) 構(gòu) ，從 而 引 出 了 一 種 特 殊 的 等 比 同 向 傳 動(dòng) 型 RCM 機(jī) 構(gòu) ——繩 驅(qū) 動(dòng) RCM 機(jī) 構(gòu) ， 其次 通 過(guò) 對(duì) 各 個(gè) 零 件 的 計(jì) 算 和 驗(yàn) 證 ， 最 后 設(shè) 計(jì) 和 選 擇 機(jī) 構(gòu) 中 適 合 的 各 個(gè) 零 件 ， 同時(shí) 對(duì) 在 設(shè) 計(jì) 的 過(guò) 程 中 遇 到 的 問(wèn) 題 提 出 解 決 的 方 法 。 兩 種 典 型 的 RCM 機(jī) 構(gòu) 分 析 雙 平 行 四 桿 型 RCM 機(jī) 構(gòu) 分 析 雙 平 行 四 桿 RCM機(jī) 構(gòu) 是 指 通 過(guò) 對(duì) 兩 組 平 行 四 桿 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 平 面 耦 合 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 末端 執(zhí) 行 器 繞 虛 擬 中 心 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 一 類 RCM機(jī) 構(gòu) 。 雙 平 行 四 桿 型 RCM機(jī) 構(gòu) 是 RCM機(jī)構(gòu) 的 經(jīng) 典 構(gòu) 型 ， 所 以 ， 我 們 在 這 里 以 雙 平 行 四 桿 型 RCM機(jī) 構(gòu) 為 例 ， 分 析 RCM的 基 本 原 理 。圖 如 圖 示 ， ACDF和 BCGH構(gòu) 成 了 相 互 耦 合 的 雙 平 形 四 桿 結(jié) 構(gòu) 。 A為固 定 點(diǎn) 有 鉸 鏈 連 接 ， 可 以 進(jìn) 行 一 維 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。由 平 行 四 邊 形 定 理 可 知 ， ∵ BCGH是 平 行 四 邊 形 ∴ BC∥ GH ∵ GH∈ GO, CD∈ CG ∴ GO∥ AC， AF∥ CG 又 ∵ ACDF為 平 行 四 邊 形北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11 ∴ AC∥ DF， AF∥ CD 又 ∵ BC∈ AC, DE∈ DF ∴ BC∥ DE ∴ ACGO也 是 平 行 四 邊 形所 以 ， 當(dāng) AC轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 時(shí) ， GO也 轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 。 并 且 ， CG始 終 與 固 定 基??座 AF保 持 平 行 。 這 樣 O點(diǎn) 與 A點(diǎn) 的 距 離 始 終 不 變 GO繞 空 間 固 定 點(diǎn) O一 維 旋 轉(zhuǎn) ，所 以 O點(diǎn) 就 是 該 機(jī) 構(gòu) 的 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng) 中 心 （ RCM） 。雙 平 行 四 桿 RCM機(jī) 構(gòu) 相 關(guān) 的 一 維 結(jié) 構(gòu) 模 型 可 以 歸 納 如 圖 示 ， 其 中 ，圖 a為 平 行 四 桿 RCM機(jī) 構(gòu) 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 。 由 于 機(jī) 構(gòu) 中 BCDE回 路 有 冗 余 約 束 ， 通過(guò) 去 除 不 一 樣 的 相 關(guān) 的 約 束 ， 可 以 演 化 出 其 他 幾 種 不 同 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 此 外 ，還 可 通 過(guò) 改 變 固 定 端 ， 得 到 如 圖 g－ j所 示 的 幾 種 不 一 樣 的 結(jié) 構(gòu) 。 一維的雙平行四桿型RCM機(jī)構(gòu)的 10種不同的構(gòu)型北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12雙 平 行 四 桿 型 RCM機(jī) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 如 下 所 示 ： ① 機(jī) 構(gòu) 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 可以 放 置 在 基 座 處 ； ② 可 以 通 過(guò) 連 桿 的 不 同 的 彎 折 變 形 可 以 靈 活 的 安 排 RCM的位 置 以 此 來(lái) 適 應(yīng) 不 同 的 應(yīng) 用 要 求 ； ③ 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 較 大 。 然 而 任 何 機(jī) 構(gòu) 都 有 自 身 的缺 點(diǎn) ， 本 機(jī) 構(gòu) 的 缺 點(diǎn) 在 于 桿 件 之 間 的 干 涉 以 及 平 行 四 桿 存 在 奇 異 位 型 ， 然 而機(jī) 構(gòu) 的 奇 異 位 形 是 指 當(dāng) 機(jī) 構(gòu) 的 運(yùn) 動(dòng) 進(jìn) 入 某 種 臨 界 狀 態(tài) 的 時(shí) 候 所 具 有 的 一 種 特定 的 位 形 ， 并 且 在 這 種 臨 界 狀 態(tài) 下 ， 機(jī) 構(gòu) 的 實(shí) 際 自 由 度 數(shù) 與 其 理 論 自 由 度 數(shù)不 相 等 ， 可 能 存 在 兩 種 情 況 ： 機(jī) 構(gòu) 喪 失 了 應(yīng) 有 的 自 由 度 或 者 是 機(jī) 構(gòu) 獲 得 了 額外 的 自 由 度 。 如 圖 平 行 四 桿 運(yùn) 動(dòng) 到 圖 示 位 置 時(shí) ， 末 端 桿 出 現(xiàn) 兩 個(gè) 不 同 運(yùn)動(dòng) 方 向 ， 而 且 方 向 不 定 ， 影 響 其 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 ； 另 外 ， 由 于 鉸 鏈 數(shù) 目 多 造 成 機(jī) 構(gòu) 剛度 較 差 。由 于 安 裝 機(jī) 構(gòu) 的 時(shí) 候 必 須 得 考 慮 到 安 裝 末 端 執(zhí) 行 器 以 及 和 底 座 固 定 的 鉸 鏈或 者 電 機(jī) 等 需 要 占 據(jù) 一 定 的 空 間 。 為 了 保 證 末 端 執(zhí) 行 器 的 軸 線 通 過(guò) 虛 擬 中 心點(diǎn) ， 一 般 有 如 圖 示 的 兩 種 方 法 ， 這 里 以 安 裝 末 端 執(zhí) 行 器 為 例 ： 圖 中 將 末 端 執(zhí) 行 器 相 對(duì) 末 端 桿 件 傾 斜 放 置 ， 從 而 使 末 端 執(zhí) 行 器 通 過(guò) 虛 擬 中 心 ； 圖 過(guò) 桿 件 彎 折 ， 使 得 虛 擬 中 心 移 動(dòng) 一 定 距 離 ， 以 滿 足 安 裝 需 要 。（a） （b）圖 末 端 執(zhí) 行 器 通 過(guò) 虛 擬 中 心 點(diǎn) 的 兩 種 方 法北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 （a） （b）（c） （d）圖 自 由 度 RCM機(jī) 構(gòu)如 圖 示 。 在 末 端 加 上 獨(dú) 立 的 移 動(dòng) 副 和 繞 手 術(shù) 工 具 自 轉(zhuǎn) 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 副 則構(gòu) 成 一 個(gè) 實(shí) 用 的 4自 由 度 RCM機(jī) 構(gòu) （ 如 圖 示 ） 。 現(xiàn) 在 ， 有 很 多 RCM機(jī)構(gòu) 應(yīng) 用 了 雙 平 行 四 桿 型 原 理 。 例 如 腹 腔 外 科 手 術(shù) 的 LARS機(jī) 器 人 系 統(tǒng) ， “Da Vinci”手 術(shù) 機(jī) 器 人 ， 加 拿 大 哥 倫 比 亞 大 學(xué) Salcludean等 提 出 的 輔 助 超 聲 波 成 像系 統(tǒng) 等 等 。． 2 等 比 同 向 傳 動(dòng) 型 RCM 機(jī) 構(gòu) 分 析等 比 同 向 傳 動(dòng) 型 RCM機(jī) 構(gòu) 是 由 雙 平 行 四 桿 型 RCM機(jī) 構(gòu) 演 變 來(lái) 的 。 雖 然 形式 上 有 所 改 變 ， 但 基 本 原 理 相 同 。 如 圖 示 同 步 帶 傳 動(dòng) ， 傳 動(dòng) 比 為 1， 兩個(gè) 帶 輪 轉(zhuǎn) 動(dòng) 方 向 相 同 。 可 以 看 出 ， 這 樣 一 套 等 比 同 向 的 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 可 以 等 效 為 一組 平 行 四 桿 機(jī) 構(gòu) 。 任 意 等 比 同 向 的 傳 動(dòng) 方 式 都 可 以 用 來(lái) 代 替 平 行 四 桿 結(jié) 構(gòu) ， 如帶 傳 動(dòng) ， 齒 輪 傳 動(dòng) ， 鏈 傳 動(dòng) 等 等 。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 基域等比同向傳動(dòng)的RCM 構(gòu)型可 以 使 用 等 比 同 向 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 代 替 基 于 平 行 四 桿 RCM構(gòu) 型 中 的 一 組 平 行 四 桿 ，也 可 以 代 替 全 部 的 兩 組 平 行 四 桿 機(jī) 構(gòu) （ 如 圖 示 ） 。（a）平行四桿型 RCM 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （b）同步帶型 RCM 機(jī)構(gòu)原理圖如 圖 所 示 ， 當(dāng) AD轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 時(shí) ， 由 于 同 步 帶 的 傳 動(dòng) ， 且 四 邊 形?ABCD為 矩 形 ， 所 以 BC也 將 轉(zhuǎn) 過(guò) 與 AD的 相 同 的 角 度 。 同 時(shí) 因 為 O1軸 是 固 定不 動(dòng) 的 ， 所 以 O1O2同 時(shí) 也 轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 。 而 因 為 O2 軸 是 兩 輪 的 同 心 軸 ， 所 以 EH 也 將 轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 ， 由 于 同 步 帶 的 傳 動(dòng) ， 且 四 邊 形 EFGH為 矩 形 ,所 以 再 經(jīng)?過(guò) 帶 傳 動(dòng) FG 也 轉(zhuǎn) 過(guò) 角 度 。這 樣 無(wú) 論 輪 怎 么 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， FO始 終 與 O1O2保 持 平 行 ， O2O3 始 終 與 AO保 持平 行 ， O1O2O3O構(gòu) 成 新 的 平 行 四 邊 形 。 由 平 行 四 邊 形 的 性 質(zhì) 知 ， O點(diǎn) 與 A點(diǎn) 的距 離 始 終 不 變 ， GO繞 空 間 固 定 點(diǎn) O一 維 旋 轉(zhuǎn) ， 所 以 O點(diǎn) 就 是 該 機(jī) 構(gòu) 的 遠(yuǎn) 程 運(yùn) 動(dòng)中 心 （ RCM） 。如 果 機(jī) 構(gòu) 整 體 可 以 同 時(shí) 沿 AO軸 線 方 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 就 可 以 實(shí) 現(xiàn) FO繞 空 間 固 定 點(diǎn)O進(jìn) 行 二 維 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 如 果 FO上 的 GO可 以 沿 FO軸 線 方 向 進(jìn) 行 線 性 插 入 運(yùn) 動(dòng) ， 這 樣就 構(gòu) 成 了 三 自 由 度 RCM機(jī) 構(gòu) 。同 步 帶 型 RCM機(jī) 構(gòu) 具 有 如 下 優(yōu) 點(diǎn) ： ① 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 體 積 小 ； 因 為 同 步 帶 傳動(dòng) 是 嚙 合 傳 動(dòng) ， 其 帶 輪 直 徑 比 依 靠 摩 擦 力 來(lái) 傳 遞 動(dòng) 力 的 ， 此 外 由 于 同 步 帶 不 需北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15要 大 的 張 緊 力 ， 使 帶 輪 軸 和 軸 承 的 尺 寸 都 可 減 少 。 所 以 在 同 樣 的 傳 動(dòng) 比 下 ， 同步 帶 傳 動(dòng) 具 有 較 緊 湊 的 結(jié) 構(gòu) 。 ② 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 可 達(dá) 360176。360176。； ③ 工 作 時(shí) 無(wú) 滑 動(dòng) ，有 準(zhǔn) 確 的 傳 動(dòng) 比 ， 同 步 帶 傳 動(dòng) 是 一 種 嚙 合 傳 動(dòng) ， 雖 然 同 步 帶 是 實(shí) 現(xiàn) 無(wú) 滑 差 的同 步 傳 動(dòng) ， 獲 得 精 確 的 傳 動(dòng) 比 ， 即 機(jī) 構(gòu) 兩 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 都 沒(méi) 有 奇 異 位 形 。 ④ 維 護(hù) 保養(yǎng) 方 便 ， 運(yùn) 轉(zhuǎn) 費(fèi) 用 低 ； 由 于 同 步 帶 中 承 載 繩 采 用 伸 長(zhǎng) 率 很 小 的 鋼 絲 等 材 料 制 成 ，故 在 運(yùn) 轉(zhuǎn) 過(guò) 程 中 帶 仲 長(zhǎng) 很 小 ， 不 需 要 像 三 角 帶 、 鏈 等 經(jīng) 常 調(diào) 整 張 緊 力 。 此 外 ，同 步 帶 在 運(yùn) 轉(zhuǎn) 中 也 不 需 要 任 何 潤(rùn) 滑 ， 所 以 維 護(hù) 保 養(yǎng) 很 方 便 ， 運(yùn) 轉(zhuǎn) 費(fèi) 用 比 三 角 帶 、鏈 、 齒 輪 要 低 礙 多 。 缺 點(diǎn) 在 于 帶 傳 動(dòng) 中 ， 壓 緊 帶 輪 和 傳 動(dòng) 裝 置 的 結(jié) 構(gòu) 比 較 復(fù)雜 ， 導(dǎo) 致 重 量 比 較 大 ； 另 外 ， 制 造 成 本 比 較 高 。等 比 同 向 傳 動(dòng) 型 RCM機(jī) 構(gòu) 還 有 齒 輪 傳 動(dòng) ， 鏈 傳 動(dòng) ， 繩 傳 動(dòng) 等 方 式 。齒 輪 傳 動(dòng) 精 度 低 ， 傳 動(dòng) 距 離 也 受 限 制 。 齒 輪 傳 動(dòng) 精 度 低 ， 傳 動(dòng) 距 離 也 受 限 制 。因 為 ， 如 果 使 用 齒 輪 進(jìn) 行 等 比 同 向 傳 動(dòng) ， 首 先 ， 在 一 組 傳 動(dòng) 中 ， 齒 輪 的 數(shù) 量 要為 奇 數(shù) 個(gè) 。 傳 動(dòng) 距 離 就 是 傳