6自由度重力平衡式手术显微镜机架运动学及工作空间分析
四连杆机构机架力平衡问题的计算方法
四连杆机构机架力平衡问题的计算方法
李正吾
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2007(036)004
【摘要】在研究四连杆机构机架力的平衡问题时,质量中心这一问题不可忽视.如何找到使质量总中心保持固定的方法,笔者利用复数及线性方程组理论来研究连杆机构的平衡,并给出解决问题的计算公式.
【总页数】3页(P50-51,54)
【作者】李正吾
【作者单位】仰恩大学,福建,泉州,362014
【正文语种】中文
【中图分类】TH112.1
【相关文献】
1.一种基于平面四连杆机构的摩擦铰链轨迹计算方法研究 [J], 朱建生;刘旭琼;杨杰
2.市场化环境下的电力平衡及变电容量需求计算方法研究 [J], 舒舟;杜佩仁;张杰;王小磊
3.6自由度重力平衡式手术显微镜机架运动学及工作空间分析 [J], 孟庆员;张冰蔚;朱启航;丁玮
4.市场化环境下的电力平衡及变电容量需求计算方法研究 [J], 舒舟;杜佩仁;张杰;王小磊;;;;
5.重力平衡式手术显微镜机架平衡机构设计与研究 [J], 施炜;张冰蔚
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六自由度机械臂动力学
六自由度机械臂动力学是研究六自由度机械臂运动规律的学科，主要包括六自由度机械臂的运动学和动力学两部分。
运动学主要研究六自由度机械臂的运动轨迹、速度、加速度等运动参数，不涉及力和受力的问题。
运动学方程通常采用正解运动学或者逆解运动学的方法进行求解。
动力学则需要考虑六自由度机械臂在运动过程中所受到的各种力，如重力、摩擦力、弹性力等，并研究这些力如何影响机械臂的运动状态，从而得出动力学方程。
动力学方程通常通过牛顿-欧拉方程或者拉格朗日方程进行求解。
六自由度机械臂的动力学问题是机器人学和控制理论中的重要问题之一。
对于复杂的实际应用，如工业自动化、医疗机器人、空间探索等，精确的六自由度机械臂动力学模型和控制算法对于实现高精度、高效率的机器人操作至关重要。
六自由度机器人运动学及主要构件的有限元分析
第6期2021年2月No.6February ，2021六自由度机器人运动学及主要构件的有限元分析摘要：文章以六自由度机器人为研究对象，根据实际的作业情况，对机器人进行运动学分析以及主要构件的有限元分析。
运动学分析分为正运动学分析和逆运动学分析，解决的是机器人的手臂转向何方，分析的是手部的速度、加速度和位移。
有限元分析主要是机械系统静力学分析。
对主要构件建立模型、模型简化、网格划分，根据危险工况的受力情况，分析了各构件的应力、形变等性能，确保结构设计合理。
对于工业机器人机械结构、传动等方面，运动学和有限元分析能够判断整机设计是否达到设计目标，对结构件的优化设计具有重要的意义。
关键词：六自由度；机器人；运动学；有限元分析中图分类号：TP242.2文献标志码：A 程锴（南京以禾电子科技有限公司，江苏南京210039）作者简介：程锴（1981—），男，江苏南京人，工程师，硕士；研究方向：电子产品总体结构设计。
江苏科技信息Jiangsu Science &Technology Information引言在当前科学技术不断进步和快速发展的背景下，很多先进的技术手段被广泛应用在各个领域中［1］。
特别是机器人在工业中得到广泛的应用，在实际运行过程中，类似于码垛搬运的六自由度机器人在搬运货物中节省大量劳动力，但安全性与可靠性一直备受考验。
因此，本文主要对六自由度机器人进行运动学和静力学分析［2］。
机器人运动学研究解决的是机器人的手臂转向何方，分析的是手部的速度、加速度和位移。
运动学方程是进行机器人位移分析的基本方程，也称为位姿方程。
机器人运动学分为正运动学分析和逆运动学分析。
正运动学是机器人运用各个关节角度、各个构件车长度等已知条件来判断末端执行器在三维空间中的位置；而逆运动学正好相反，它解决的是机器人需要如何运动才能使得末端执行器到达指定位置这一问题。
静力学分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。
毕业设计6自由度机器人机械结构设计及路径规划
6自由度机器人机械结构设计及路径规划摘要近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。
我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。
典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合任务书的要求，设计了一种小型的实现移动的六自由度串联机器人。
首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D- H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解。
机器人广泛应用于工业、农业、医疗及家庭生活中，工业机器人主要应用领域有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。
总之，工业机器人的多领域广泛应用，其发展前景广阔。
关键词：机器人关节，运动学分析，工业机器人，自由度CONSTRUCTION DESIGN、KINEMATICS ANALYSIS OF SIX DEGREE OF FREEDOM ROBOTABSTRACTIn the past twenty years, the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study , design and applied different kinds of robots, especially industrial robots.Most typical industrial robots such as welding robot, painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project, the author have designed a kind of small-size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.First of all, several kinds of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time, The kinematics analysis was conducted, coordinate transformation matrix using D - H method was set up, and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced, robots are widely used in industry, agriculture, medical and family life, the main application areas of industrial robot are complex operations includes welding, spot welding, assembly, handling, painting, inspection, palletizing, grinding polishing and Laser processing etc. In one word, the development prospects of widely used in many fields of industrial robots are broad.KEY WORDS：Robot joints，Kinematics Analysis，Industrial robot，Degree of freedom.目录前言 (1)第1章工业机器人介绍 (2)§1.1工业机器人概述. (2)§1.2 工业机器人的驱动方式 (3)§1.3 工业机器人的分类. (3)第2章工业机器人结构方案确定 (4)§2.1机器人自由度分配和手臂手腕构形 (4)§2.2传动系统布置 (5)§2.3方案描述 (6)第3章机械设计部分 (8)§3.1底座旋转台设计. (8)§3.1.1 电机选择...................................错误!未定义书签。
六自由度机械臂结构
六自由度机械臂结构1. 引言六自由度机械臂是一种多关节机械系统，具有灵活性和精确度，被广泛应用于工业自动化、医疗手术、空间探索等领域。
其结构设计是实现机械臂运动的关键因素之一。
本文将介绍六自由度机械臂的结构设计原理和常见的构型。
2. 六自由度机械臂的运动六自由度机械臂的运动由六个关节驱动，可以实现在三维空间内的多种运动。
六个关节分别对应机械臂不同自由度的运动，包括旋转和平移运动。
四个旋转关节（Revolute Joint）负责机械臂在空间中的旋转运动，包括基座关节（Base Joint）、肩关节（Shoulder Joint）、肘关节（Elbow Joint）和腕关节（Wrist Joint）。
两个平移关节（Prismatic Joint）负责机械臂在空间中的平移运动，包括手腕平移关节（Wrist Translation Joint）和手腕旋转关节（Wrist Rotation Joint）。
3. 六自由度机械臂的结构六自由度机械臂的常见结构包括直臂式（Straight-arm Configuration）和倾斜臂式（Scara Configuration）两种。
下面将对这两种结构进行介绍。
3.1 直臂式结构直臂式结构是六自由度机械臂最常见的结构之一。
它的特点是各个关节轴线相互平行，形成一个直线状。
这种结构适合进行大范围的空间操作。
直臂式机械臂的关节之间相对固定，不会相互干涉，可以实现高度精确的运动。
3.2 倾斜臂式结构倾斜臂式结构是另一种常见的六自由度机械臂结构。
它的特点是肩关节和肘关节的轴线不平行，形成一个倾斜角。
这种结构适合进行限定范围内的操作，通常用于需要更大的水平独立度。
4. 六自由度机械臂的应用六自由度机械臂广泛应用于许多领域，包括工业自动化、医疗手术、空间探索等。
下面将介绍六自由度机械臂在这些领域的应用示例。
4.1 工业自动化六自由度机械臂在工业自动化中可以实现精确的物体抓取、组装和搬运，提高生产效率和质量。
六自由度机械臂运动学及工作空间分析
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ｅ ｑｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｓ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｂｙ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｔｈｅ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎｇ ｐｏ ｉ ｎｔ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｏ ｆ ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｗａ ｓ ｇ ｉ ｖ ｅ ｎ ｂｙ ｕｓ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｗｏ ｒ ｋ
六自由度设计报告
六自由度设计报告引言：六自由度是指物体在空间中具有的六个独立的运动自由度，包括三个平动自由度和三个转动自由度。
在机械设计领域中，六自由度设计是一种常见的设计方法，可以实现物体在空间中的多样化运动。
本文将探讨六自由度设计的基本概念、应用领域以及设计原则，并分析几个典型的案例。
一、六自由度设计的基本概念六自由度设计是指通过合理布置和设计机械装置，使其具有平移和旋转等六个自由度的能力。
其中，平动自由度包括物体在三个坐标轴上的平移能力，而转动自由度则包括物体绕三个坐标轴的旋转能力。
通过控制这些自由度，我们可以使机械装置在空间中实现各种复杂的运动。
二、六自由度设计的应用领域六自由度设计在许多领域都有广泛的应用。
在机器人领域，六自由度机械臂能够模拟人类手臂的运动，广泛应用于装配、焊接、搬运等工作。
在航空航天领域，六自由度设计可以使飞机、卫星等飞行器在空中实现各种姿态的调整和稳定。
在医疗领域，六自由度机器人可以用于手术操作，提高手术的精确性和安全性。
三、六自由度设计的原则六自由度设计需要考虑以下几个原则：1. 功能需求：根据具体的应用需求确定机械装置需要实现的运动自由度和精度。
2. 结构设计：通过合理的结构设计，使机械装置能够灵活地实现各种运动。
可以采用齿轮传动、连杆机构等方式来实现运动的传递和转换。
3. 控制系统：设计合理的控制系统，实现对六个自由度的精确控制和调节。
可以采用传感器和电机等装置来实现控制。
4. 安全性考虑：在设计过程中考虑到机械装置的安全性，避免出现意外事故。
案例分析：1. 机器人装配线：六自由度机器人装配线能够根据产品的不同要求，实现各种复杂的装配动作，提高生产效率和质量。
2. 飞行器姿态控制：六自由度设计可以使飞行器在空中实现各种姿态的调整，提高飞行的稳定性和灵活性。
3. 医疗机器人手术系统：六自由度机器人手术系统可以实现对患者进行精确的手术操作，减少手术风险和创伤。
结论：六自由度设计是一种重要的机械设计方法，具有广泛的应用前景。
六自由度协作机械臂设计与运动分析
三、结论与展望
总之，本次演示研究的六自由度协作机械臂设计和运动分析具有一定的理论 和实践价值，为今后实际应用提供了有益的参考。
2、关节设计
（1）关节类型：根据运动学原理，关节可分为旋转关节、移动关节、球形关 节等。需要根据机械臂的实际需求选择合适的关节类型。
2、关节设计
（2）驱动方式：关节的驱动方式包括电动、气动和液压等多种形式，需要根 据机械臂的动力来源进行选择。
2、关节设计
（3）制动方式：关节的制动方式包括机械制动和电气制动等，需要根据实际 需求进行选择。
一、六自由度协作机械臂设计
1、机械臂结构布局设计
1、机械臂结构布局设计
六自由度机械臂通常由六个关节连接首末两个连杆，每个关节具备旋转或伸 缩功能。在结构布局设计时，需要考虑以下因素：
1、机械臂结构布局设计
（1）连杆的长度与半径：需要根据机械臂的整体尺寸要求以及操作空间限制 进行设计，保证机械臂能够到达指定位置。
六自由度协作机械臂设计与运 动分析
目录
01 一、六自由度协作机 械臂设计
0业自动化的快速发展，机器人技术已成为现代生产过程中不可缺少的 一部分。其中，机械臂作为机器人的核心组成部分，具有重要意义。本次演示将 以六自由度协作机械臂为研究对象，从设计和运动分析两个方面进行详细阐述。
谢谢观看
二、运动分析
1、引言
1、引言
对六自由度协作机械臂进行运动分析，有助于了解机械臂在实际应用中的运 动性能，验证设计是否满足要求。运动分析主要包括运动学、动力学和控制方面。
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随着对显微外科手术需求的日益增加，手术显 微镜已作为一种重要的手术设备广泛应用于眼科、 耳鼻喉科、神经外科、口腔科等各种显微外科手术． 手术显微镜机架的结构也影响着医生手术时操作
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收稿日期：２０１７－０９－２５ 修回日期：２０１８－０３－２９ 作者简介：孟庆员（１９９３—），男，硕士研究生 通信作者：张冰蔚（１９５９—），男，教授，研究方向为机电控制测控技术．Ｅｍａｉｌ：ｚｂｗ３３＠１６３．ｃｏｍ 引文格 式：孟 庆 员，张 冰 蔚，朱 启 航，等．６自 由 度 重 力 平 衡 式 手 术 显 微 镜 机 架 运 动 学 及 工 作 空 间 分 析 ［Ｊ］．江 苏 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学
Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｏｒｋｓｐａｃｅｏｆ６ＤＯＦ ｇｒａｖｉｔｙｂａｌａｎｃｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｆｒａｍｅ
ＭＥＮＧＱｉｎｇｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧＢｉｎｇｗｅｉ ，ＺＨＵＱｉｈａｎｇ，ＤＩＮＧＷｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）
第 ３３卷第 ２期 ２０１９年 ４月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕ
Ｕｎｉ江ｖｅｒ苏ｓｉｔｙ科ｏ技ｆＳ大ｃｉｅ学ｎｃｅ学ａ报ｎｄ（自Ｔｅｃ然ｈｎ科ｏｌｏ学ｇｙ版（Ｎ）ａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） ＶｏＡｌｐ３ｒ．３２０Ｎ１ｏ９２
ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０２．００８
文中对一种 ６自由度重力平衡式手术显微镜 机架（以下简称“机架”）进行运动学及工作空间分 析．该机架包括由双平行四边形悬臂和支撑臂结构 构成的杠杆式重力平衡系统，可移动式底座及电控 箱等［３］．该机架与关节型机器人有诸多相似之处， 但也具有自身的特点．从整体结构上看，该机架的 大机架的 ３个关节类似关节机器人的“腰”、“肩”、 “肘”，头部的小机架类似机器人的腕部关节，机架 悬臂的平行四边形结构类似码垛机器人末端始终 保持与地面平 行 ［４－５］．从 驱 动 方 式 上 看，关 节 型 机 器人采用伺服电机驱动，而机架关节无驱动元件以 末端手动引导方式调节机架位姿，全部关节电磁锁 控制，操作灵活方便．通过求解正逆运动学和工作 空间两个方面进行分析：正运动学分析，即根据初 定关节角度范围计算出末端坐标，为求解工作空间 奠下基础；求解逆运动学，即通过末端位置反求出 各个关节角，对于根据实际工作空间的要求重新设 计各个关节转动范围和进一步优化机架结构有着 重要意义．
版），２０１９，３３（２）：４２－４８．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０２．００８．
第 ２期 孟庆员，等：６自由度重力平衡式手术显微镜机架运动学及工作空间分析
４３
显微手术要求．因此拥有紧凑的设计，充裕的伸展 范围，满足不同显微外科手术布置方式的手术显机架运动学及 工作空间分析
孟庆员，张冰蔚 ，朱启航，丁 玮
（江苏科技大学 机械工程学院，镇江 ２１２００３）
摘 要：针对一种 ６自由度重力平衡式手术显微镜机架，进行运动学和工作空间分析，首先基于机架的总体结构和初定各 个关节转动范围，根据该机架各关节的几何关系，建立 Ｄ－Ｈ参数模型并对其进行正运动学分析，通过 Ｍａｔｌａｂ仿真验证了 所建正运动学方程的正确性，然后根据机架末端坐标采用几何法求解出各个关节转动角度，最后基于蒙特卡洛法以点云图 的形式表示出不同平衡方式的机架和头部小机架的工作空间．结果表明：该 ６自由度重力平衡式手术显微镜机架具有足够 大的手术作业空间，能满足各科显微手术要求，并具有很好的操作灵活性，为今后手术显微镜机架的设计和改进提供重要 参考． 关键词：手术显微镜；机架；重力平衡；运动学；工作空间 中图分类号：Ｒ６１２，ＴＨ１１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４８０７（２０１９）０２－０４２－０７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｍｅｔｈｏｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｐａｃｅａｎｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅ６ＤＯＦｇｒａｖｉｔｙｂａｌａｎｃｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｆｒａｍｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｒｏ ｔａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｅａｃｈｊｏｉｎｔａｎｇｌｅｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｊｏｉｎｔｏｆｔｈｅｆｒａｍｅ，ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｅ ｑｕａｔｉｏｎｉｓｔｅｓｔｉｆｉｅｄｂｙＭａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｎ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｐｐｒｏａｃｈｉｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔ ｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｐａｃｅｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂａｌａｎｃｅｏｆｔｈｅｒａｃｋａｎｄｔｈｅｈｅａｄｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｒａｃｋａｒｅｓｈｏｗｎｂｙ ｕｓｉｎｇｔｈｅＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｆｏｒｍ ｏｆｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｄｉａｇｒａｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ６ＤＯＦｇｒａｖｉｔｙｂａｌ ａｎｃｅｄｓｕｒｇｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｆｒａｍｅｈａｓａｌａｒｇｅｅｎｏｕｇｈｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｐａｃｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｕｒｇｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ ｅａｃｈｓｕｂｊｅｃｔａｎｄｈａｓｇｏｏｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍ ｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｆｒａｍｅｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｇｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｆｒａｍｅ，ｇｒａｖｉｔｙｂａｌａｎｃｅ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｗｏｒｋｓｐａｃｅ