【正文】 論文）16保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，繩 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 器 與 常 規(guī) 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 器 人 相 比 的 不 同 之 處 在 于 采 用 鋼 繩 而 不 是 剛 性 連 桿來(lái) 驅(qū) 動(dòng) 自 身 重 量 以 及 負(fù) 載 ,它 發(fā) 展 于 上 世 紀(jì) 四 五 十 年 代 ,并 應(yīng) 用 于 外 科 手 術(shù) 等醫(yī) 學(xué) 領(lǐng) 域 .其 運(yùn) 動(dòng) 部 分 比 常 規(guī) 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 器 人 質(zhì) 量 小 ,這 使 得 它 有 以 下 優(yōu) 點(diǎn) : ① 可以 產(chǎn) 生 很 大 的 加 速 度 和 速 度 ,具 有 較 小 的 慣 性 。 但 繩 索 是 不 可 收縮 的 ， 而 轉(zhuǎn) 動(dòng) 需 要 雙 向 傳 動(dòng) ， 這 就 需 要 兩 端 固 定 繩 索 ， 使 其 與 傳 動(dòng) 輪 間 沒(méi) 有 相對(duì) 滑 動(dòng) ， 這 就 可 以 保 證 傳 動(dòng) 精 度 。繩 傳 動(dòng) 則 可 以 很 好 的 避 免 齒 輪 傳 動(dòng) 和 鏈 傳 動(dòng) 中 精 度 不 高 的 問(wèn) 題 ， 傳 動(dòng) 距 離 也不 受 限 制 。鏈 傳 動(dòng) 傳 動(dòng) 距 離 不 受 限 制 ， 但 精 度 很 低 。 其 次 ， 傳 動(dòng) 鏈 中 齒 輪 至 少 有 3個(gè) ， 齒 輪 傳 動(dòng) 又 不 可 避 免 齒 輪 間 隙 ， 很大 程 度 的 影 響 了 傳 動(dòng) 精 度 和 控 制 精 度 。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) 。齒 輪 傳 動(dòng) 精 度 低 ， 傳 動(dòng) 距 離 也 受 限 制 。 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 。 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 。360176。 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) 。 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) 。 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） 。 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 。（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 。 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 。 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 。． 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 。 現(xiàn) 在 ， 有 很 多 RCM機(jī)構(gòu) 應(yīng) 用 了 雙 平 行 四 桿 型 原 理 。（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 。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 。 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 。 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) 。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) 。 并 且 ， CG始 終 與 固 定 基??座 AF保 持 平 行 。 A為固 定 點(diǎn) 有 鉸 鏈 連 接 ， 可 以 進(jìn) 行 一 維 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 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 。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 。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。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 。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) 。 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 。第 四 部 分 是 機(jī) 械 臂 ， 機(jī) 械 手 臂 是 目 前 在 機(jī) 器 人 技 術(shù) 領(lǐng) 域 中 得 到 最 廣 泛 實(shí) 際應(yīng) 用 的 自 動(dòng) 化 機(jī) 械 裝 置 ， 廣 泛 應(yīng) 用 于 半 導(dǎo) 體 制 造 、 工 業(yè) 、 醫(yī) 療 、 軍 事 、 以 及 太空 探 索 等 領(lǐng) 域 。第 三 部 分 是 聯(lián) 軸 器 ， 聯(lián) 軸 器 主 要 用 來(lái) 連 接 軸 和 軸 （ 或 連 接 軸 與 其 他 回 轉(zhuǎn) 零件 ） ， 機(jī) 器 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) 兩 軸 不 能 分 離 ， 只 有 機(jī) 器 停 車 并 將 聯(lián) 接 拆 開 后 ， 兩 軸 才 能 分離 ， 用 以 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 與 轉(zhuǎn) 矩 ， 補(bǔ) 償 由 于 制 造 和 安 裝 誤 差 造 成 所 聯(lián) 接 兩 軸 的 軸 向 位移 ,徑 向 位 移 和 角 位 移 ， 避 免 軸 端 產(chǎn) 生 過(guò) 大 的 附 加 載 荷 ， 緩 和 減 速 機(jī) 工 作 時(shí) 軸 上北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8的 扭 轉(zhuǎn) 沖 擊 ， 改 變 軸 系 的 共 振 轉(zhuǎn) 速 ， 當(dāng) 機(jī) 器 受 到 意 外 的 過(guò) 載 時(shí) ， 往 往 會(huì) 造 成傳 動(dòng) 裝 置 或 其 他 機(jī) 件 的 損 壞 。 由 于 它 承 載 的 重 量 不 大 ， 彎 矩 也 小 一 些 ， 所 以 只 用 兩個(gè) 螺 釘 固 定 就 夠 了 。 RCM 機(jī) 構(gòu) 作 為 機(jī) 器 人 的 腕 部 結(jié) 構(gòu) 可 以 使 末 端 的 執(zhí) 行 器 圍 繞 空 間 內(nèi) 的 某 個(gè)固 定 點(diǎn) 做 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 而 且 該 虛 擬 固 定 點(diǎn) 在 機(jī) 構(gòu) 遠(yuǎn) 端 ， 同 時(shí) RCM 機(jī) 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ，控 制 方 便 ， 成 本 低 廉 ， 所 以 開 發(fā) 一 種 新 型 的 RCM 機(jī) 構(gòu) 并 能 嵌 入 到 機(jī) 器 人 系 統(tǒng)中 ， 以 更 好 地 輔 助 微 創(chuàng) 外 科 手 術(shù) 顯 得 十 分 必 要 。 自 由 度 的 多 少 取 決 于 機(jī) 構(gòu) 的 原 動(dòng) 件 ， 本 文 所 選 擇 的 3 個(gè) 自 由 度 是 因 為 機(jī)構(gòu) 在 建 立 的 XYZ 空 間 坐 標(biāo) 系 中 ， 既 可 以 繞 X 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 也 可 以 繞 Z 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) 和 沿Y 軸 移 動(dòng) ， 滿 足 設(shè) 計(jì) 需 求 ， 同 時(shí) 可 以 使 機(jī) 構(gòu) 的 外 形 美 觀 ， 尺 寸 計(jì) 算 簡(jiǎn) 便 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn)單 ， 控 制 方 便 和 成 本 低 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 由 公 式 可 知 ， 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 F 取 決 于 活動(dòng) 的 構(gòu) 件 數(shù) 目 以 及 運(yùn) 動(dòng) 副 的 性 質(zhì) （ 低 副 或 者 高 副 ） 和 個(gè) 數(shù) 。 當(dāng) 運(yùn) 動(dòng)1nk??副 將 構(gòu) 件 聯(lián) 接 起 來(lái) 組 成 機(jī) 構(gòu) 之 后 ， 機(jī) 構(gòu) 中 各 構(gòu) 件 具 有 的 自 由 度 就 減 少 了 ， 若 機(jī)構(gòu) 中 的 低 副 數(shù) （ 主 要 有 移 動(dòng) 副 ， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 副 ） 為 個(gè) ， 高 副 （ 主 要 有 凸 輪 機(jī) 構(gòu) ， 齒LP輪 機(jī) 構(gòu) 等 ） 數(shù) 為 個(gè) ， 則 機(jī) 構(gòu) 中 全 部 運(yùn) 動(dòng) 副 所 引 入 的 約 束 總 數(shù) 為 2 + 。 除 去 固 定 構(gòu) 件 (機(jī) 架 ） ， 則 機(jī) 構(gòu) 中 的 活 動(dòng) 構(gòu) 件 數(shù) 為 ：。機(jī) 構(gòu) 自 由 度 又 有 平 面 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 和 空 間 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 。 自 由 度 的 定 義 、 計(jì) 算 及 三 自 由 度 的 優(yōu) 點(diǎn)根 據(jù) 機(jī) 械 原 理 ， 機(jī) 構(gòu) 具 有 確 定 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 所 必 須 給 定 的 獨(dú) 立 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) 的 數(shù) 目（ 亦 即 為 了 使 機(jī) 構(gòu) 的 位 置 得 以 確 定 ， 必 須 給 定 的 獨(dú) 立 的 廣 義 坐 標(biāo) 的 數(shù) 目 ） ， 稱為 機(jī) 構(gòu) 自 由 度 （ degree of freedom of mechanism） ， 其 數(shù) 目 常 以 F 表 示 。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6 驅(qū) 動(dòng) RCM 的 基 本 原 理 概 述 本 章 簡(jiǎn) 單 介 紹 了 RCM。 Pro/E 零 件 裝 配 和 裝 配 中 可 能 存 在 的 問(wèn) 題 的 解 決 辦 法 。第 二 章 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM的 基 本 原 理 ： 簡(jiǎn) 單 介 紹 自 由 度 的 定 義 及 計(jì) 算 、 三 自 由 度的 優(yōu) 點(diǎn) 、 RCM機(jī) 構(gòu) 的 定 義 和 優(yōu) 點(diǎn) 、 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 組 成 和 基本 原 理 和 繩 驅(qū) 動(dòng) 及 其 基 本 原 理 ， 綜 合 以 上 理 論 證 明 了 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī)構(gòu) 的 原 理 可 行 性 ；北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5第 三 章 介 紹 了 兩 種 典 型 的 RCM機(jī) 構(gòu) 的 分 析 ， 同 時(shí) 詳 細(xì) 的 介 紹 了 繩 驅(qū) 動(dòng)RCM機(jī) 構(gòu) 的 分 析 。 在 同 樣 能 實(shí) 現(xiàn) 樣 機(jī) 基 本 的 功 能 的 情 況 下 ，選 擇 舵 機(jī) 更 方 便 。本 機(jī) 構(gòu) 樣 機(jī) 選 用 舵 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 主 要 原 因 是 與 伺 服 電 機(jī) 相 比 ， 舵 機(jī) 具 有 以 下 一些 特 點(diǎn) ： (1) 體 積 緊 湊 ， 便 于 安 裝 ； (2) 輸 出 力 矩 大 ， 穩(wěn) 定 性 好 ； (3) 控 制簡(jiǎn) 單 ， 便 于 和 數(shù) 字 系 統(tǒng) 接 口 。 Johns Hopkins 大 學(xué) 的 RCM 機(jī) 構(gòu) 加 拿 大 不 列 顛 哥 倫 比 亞 大 學(xué) 研 制 的 RCM 機(jī)構(gòu)圖 國(guó) 外 的 RCM 機(jī) 構(gòu) 本 文 所 描 述 的 設(shè) 計(jì) 工 作 的 首 要 目 標(biāo) 是 設(shè) 計(jì) 一 個(gè) 三 自 由 度 繩 驅(qū) 動(dòng) RCM機(jī) 構(gòu) 。 在 推 廣 方 面 還 沒(méi) 有 正 式 的 形 成 商業(yè) 化 運(yùn) 作 的 產(chǎn) 品 ， 不 能 滿 足 不 同 醫(yī) 院 以 及 科 室 的 特 殊 需 求 。 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 、 北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 、 北 京 理 工 大 學(xué) 等 也開 展 了 在 醫(yī) 療 上 手 術(shù) 機(jī) 器 人 的 研 究 。 加 拿 大 哥 倫比 亞 大 學(xué) Sa