新型6-UCU骨附着并联机器人工作空间及精度分析 | CJME论文推荐
Dong, K., Li, D., Xue, X. et al. Workspace and Accuracy Analysis on a Novel 6-UCU Bone-attached Parallel Manipulator. Chin. J. Mech. Eng. 35, 35 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00689-1
随着机械学、计算机科学、自动控制、人工智能等学科的快速发展，机器人技术取得了长足的进步，其应用领域也越来越广泛。20世纪80年代，机器人开始被引入机器人辅助手术系统，为外科手术和微创手术带来了革命性发展 。随着研究的不断深入，以骨科机器人为代表的特种手术机器人相继出现。由于并联机器人具有刚度高、结构紧凑、精度高、鲁棒性强等优点，被广泛用于骨科手术系统的研究中。本文提出了一种可以用于骨附着的新型的6-UCU构型的并联机器人，具有结构紧凑，体积小，精度高等优点。为了优化结构，获得较高的运动精度，需对提出的6-UCU构型并联机器人进行运动空间和精度分析。
针对小尺寸球面关节制造难度大、成本高的问题，提出了一种基于6-UPU并联机构结构的用于骨附着手术的小型并联机器人。初始状态下，并联机器人高度为120mm，动平台与固定底座半径为50mm。并建立了6-UPU并联机构的运动学模型。
分析了并联机器人的工作空间分类和理论研究方法，考虑杆长、关节转角和构件之间的干涉等因素对并联机器人工作空间的影响，通过球坐标搜索的方法确立所设计的并联机器人的工作空间，分析结构参数变化对并联机器人工作空间的影响并计算和绘制了并联机器人的工作空间。
通过对并联机器人连杆矢量方程求微分的方法，建立给定结构参数误差与动平台的输出位姿误差之间的数学模型。根据建立的误差模型，得到结构和位姿参数变化时输出位姿误差的变化曲线，分析结构和位姿参数变化对动平台输出位姿误差的影响。
设计得到了一种6-UPU结构的小型并联机器人，具有结构紧凑、精度高、承载能力大、六轴力反馈等特点，能满足骨附着作业的需要，并制造了样机。
6-UCU构型并联机器人在支链夹角α和β等约束条件不变的情况下，一定范围内的工作空间尺寸随着平台支链安装半径R和R0的增大而减小。在半径R (R0)等约束条件不变的情况下，随着角α和β值的增大，并联机器人的工作空间逐渐增大。本文设计的并联机器人的工作空间为X轴方向±30 mm以内。Y轴方向为- 35mm到+30mm，Z轴方向为120mm到150mm；X方向的倾角范围为-27° ~ 27.79°， Y方向的倾角范围为-8.76° ~ 8.76°，Z方向的倾角范围为-10.37° ~ 8.43°。
得到了6-UCU构型并联机器人位置误差δPx,δPy, δPz 和姿态误差δφ, δθ,δγ 同各个设计参数直接的关系，利用MATLAB软件绘制关系曲线，分析了各设计参数对位置误差的影响。
提出了一种新型的6-UCU骨附着并联机器人，具有结构紧凑、精度高、承载能力大、六轴力反馈等特点，能满足骨附着作业的需要。
分析了连杆长度、关节转动角度、构件间的干涉等因素对工作空间的影响。在此基础上，采用球面坐标搜索的方法，建立了6-UCU并联机器人的工作空间模型。分析了结构参数对机器人工作空间的影响。分析结果可以提高设计效率，保证机器人具有较小的机械尺寸和较大的工作空间。
提出了一种基于6-UCU构型并联机器人的误差建模方法。根据建立的误差模型，分析结构和位姿参数变化对PMs输出位姿误差的影响。
本文提出的6-UCU构型小型骨附着并联机器人，消除了精密球铰对小型并联机器人尺寸的约束，具有广泛的应用价值。同时，对该构型运动空间及位姿精度的分析，得到了各设计参数与它们的关系，为进一步设计高精度并联机器人和误差补偿提供了依据，所涉及的分析方法同样也适用于其他构型并联机器人的分析。
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李端玲，女，北京邮电大学教授，博导。北京市科技新星，教育部新世纪优秀人才，校青年教学名师。主要从事机器人构型创新及智能控制、复杂机电装备的结构设计与研究。在本领域期刊发表论文100余篇，承担国家自然科学基金委和国家重点研发计划等多项项目。担任多个国内外期刊会议论文及国家自然科学基金委员会、科技部、教育部和各省市级科技项目与人才项目评审。现任中国医药卫生文化协会医工融合分会副秘书长，北京高教学会工程训练研究分会常务理事，中国机械工程学会机器人分会与空间机构分会、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会、中国计算机学会智能机器人专委会、中国仿真学会机器人系统仿真专委会委员职务。2010年被评为北京市自然科学基金20周年优秀项目负责人。2008年在第16届中国机构与机器科学学术会议（国际会议CCMMS2008）暨海峡两岸第4届机构学研讨会上获7篇“优秀论文奖”之一。2010年获第9届设计与制造前沿国际会议（ICFDM2010）“十佳论文”之一。
变胞机构、放缩机构、形变机构等新机构、新类型研究；
新型机器人的研发与应用；
复杂机电装备的结构设计与开发。
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编辑：恽海艳 校对：张强
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