一种用于眼内手术的混联机构设计与运动学分析

doi:10.3901/JME.2022.03.036

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (3): 36-44.doi: 10.3901/JME.2022.03.036

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一种用于眼内手术的混联机构设计与运动学分析

杨洋, 陈子路, 广晨汉, 郑昱, 林闯

北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京 100191

收稿日期:2021-02-14 修回日期:2021-07-04 出版日期:2022-02-05 发布日期:2022-03-19
通讯作者: 广晨汉(通信作者),男,1990年出生,博士,博士后。主要研究方向为机械设计、刚性折纸及机构学。E-mail:guangchenhan@buaa.edu.cn
作者简介:杨洋,男,1962年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为机器人机构学、医疗机器人、智能机械设计与控制。E-mail:yang_mech@buaa.edu.cn;陈子路,男,1997年出生,硕士研究生。主要研究方向为机器人机构学。E-mail:chenzilu@buaa.edu.cn;郑昱,男,1993年出生,博士研究生。主要研究方向为机器人动力学与控制技术。E-mail:zhengyu_me@buaa.edu.cn;林闯,男,1996年出生,博士研究生。主要研究方向为机器人控制与计算机视觉。E-mail:linchuang@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（51875011）和国家重点研发计划（2017YFB1302702）资助项目。

Design and Kinematics Analysis of a Serial-parallel Hybrid Mechanism Used for Intraocular Surgeries

YANG Yang, CHEN Zilu, GUANG Chenhan, ZHENG Yu, LIN Chuang

School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191

Received:2021-02-14 Revised:2021-07-04 Online:2022-02-05 Published:2022-03-19

摘要/Abstract

摘要： 为利用机器人实现眼内手术操作所需的远程运动中心（Remote center of motion，RCM）运动模式，提出了一种新型六自由度混联机构（RP+PPRRP/PPRR）。首先受U副结构形式的启发，利用两组RPPRP平面五杆机构单元重构出PPRRP/PPRR并联构型。根据螺旋理论计算该机构的自由度，并分析自由度性质，从而确认机构对RCM运动模式的兼容性。利用坐标变换方法建立机构的正运动学模型以及包含RCM参数（算法）的逆运动学模型。然后基于机构构型，设计、构建了物理样机。最后采用主从控制方式进行物理样机运动实验，验证运动学模型（算法）的正确性以及机构对眼内手术的适配性。

关键词: 眼内手术, 混联机构, 运动学分析, 远程运动中心

Abstract: To realize RCM (remote center of motion) motion mode required for robot-assisted intraocular surgeries, a novel six-degree-of-freedom series-parallel hybrid mechanism (RP+PPRRP/PPRR) is proposed. Firstly, inspired by the structure of U pair (Universal pair), the parallel configuration (PPRRP/PPRR) is reconstructed by two sets of planar five-bar mechanism (RPPRP) units. After calculating the DOFs (degrees of freedom) and analyzing their characteristics based on screw theory, the capability of RCM motion mode for this mechanism is confirmed. Subsequently, the forward kinematics model and the inverse kinematics model of this mechanism containing RCM parameters are established through coordinate transformation method. Then, according to the configuration of the mechanism, a physical prototype is designed and established. Finally, based on master-slave control method, a motion experiment is performed to verify the correctness of the kinematic model and the adaptability of this mechanism to intraocular surgeries.

Key words: intraocular surgery, hybrid mechanism, kinematics analysis, remote center of motion

中图分类号:

TH112

杨洋, 陈子路, 广晨汉, 郑昱, 林闯. 一种用于眼内手术的混联机构设计与运动学分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(3): 36-44.

YANG Yang, CHEN Zilu, GUANG Chenhan, ZHENG Yu, LIN Chuang. Design and Kinematics Analysis of a Serial-parallel Hybrid Mechanism Used for Intraocular Surgeries[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(3): 36-44.

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