Введение 4
1. Цели и задачи 6
1.1. Цель 6
1.2 Задача 6
2. Прогресс и предпосылки академических исследований 8
2.1 Причины вибрации и предпосылки исследования 8
2.2 Моделирование динамики суставов и проектирование
демпфирования 9
3. Создание модели роботизированной руки 10
3.1 Создание конечно-элементной модели роботизированной руки 10
3.1.2 Материалы и анализ 11
3.2 Создание математической модели роботизированной руки 12
4. Решение процесса 15
4.1 Моделирование 16
4.2 Границы и нагрузки 16
4.3 Решить 17
4.4 Пост-обработка 18
5. Исследование решений по оптимизации 23
5.1 Измените объемное соотношение каждого шатуна 23
5.2 Изменить свойства материала руки робота 27
Заключение 40
Список использованных источников и литературы 41
Благодаря постоянному развитию технологий малоинвазивной и дистанционной хирургии медицинские роботы, особенно роботизированные руки с несколькими степенями свободы, все шире используются при проведении хирургических операций. Трехрукий робот имеет гибкую и простую конструкцию, высокую точность и хорошие перспективы применения. Однако в реальных условиях эксплуатации из-за нестабильности управления движением в суставах робота часто возникают вибрации, когда он быстро движется или резко останавливается. Эта вибрация влияет на точность позиционирования рабочих органов и безопасность эксплуатации.
Эффективное подавление вибрации в суставах стало одним из ключевых вопросов повышения надежности и устойчивости медицинских роботов. Существующие исследования показывают, что возникновение вибрации тесно связано с такими факторами, как распределение массы конструкции, жесткость материала и характеристики демпфирования сочленений роботизированной руки. Например, методы обучения с подкреплением используются для оптимизации стратегий движения суставов с целью уменьшения количества ошибок. Кроме того, некоторые исследователи пытались улучшить динамические характеристики отклика и возможности снижения вибрации механизма путем оптимизации соотношения объема и массы шарниров и использования новых композитных материалов.
Несмотря на определенный прогресс в области управления вибрацией роботов, большинство исследований сосредоточено на алгоритмах управления или проектировании пассивного демпфирования, а исследования влияния структурных параметров и выбора материалов на вибрацию по-прежнему недостаточны. Поэтому актуальным вопросом исследований остается вопрос о том, как активно снизить вибрацию и повысить устойчивость системы на уровне проектирования конструкции.
Точность роботизированных рук и снижение хирургических рисков имеют решающее значение для разработки современных хирургических роботов. Особенно автономные или полуавтономные роботы (например, CASPAR). Проектирование и оптимизация таких роботов требует глубокого анализа их механических характеристик, включая распределение нагрузки, деформацию рычажных механизмов и т д. Длинные и короткие манипуляторы имеют несколько степеней свободы и поэтому обычно более сложны.
Поэтому основная задача данной статьи — взять в качестве объекта исследования моделирование типичного трехрукого медицинского робота и смоделировать роботизированные руки из различных материалов и с различными объемными соотношениями на основе платформы ANSYS Workbench, которая объединяет конечно-элементное моделирование и анализ моделирования движения. При этом анализируются изменения устойчивости и точности работы концевых сочленений (исполнения) роботизированной руки различных схем при одинаковой угловой скорости вращения, а также предпринимается попытка найти закономерности оптимизации конструкции.
Это также используется для изучения влияния свойств материалов и различных структур на вибрацию роботизированной руки. Мы надеемся, что это исследование предоставит новые идеи и теоретическую поддержку для структурной оптимизации будущих медицинских роботов.
В этом исследовании использовалась среда ANSYS для проведения механического анализа трехзвенного хирургического робота и изучались различия в вибрациях, возникающих при различных материалах и объемных соотношениях, а также точность и стабильность конечного эффектора в этих условиях.
Результаты моделирования показывают, что удельная жесткость материала и коэффициент демпфирования оказывают большее влияние на вибрацию. Согласно экспериментам, материалы с высокой удельной жесткостью и высоким коэффициентом демпфирования чрезвычайно эффективны для снижения вибрации. Поэтому при изготовлении такой роботизированной руки следует использовать более жесткие материалы, а в сочленения можно добавить демпфирование (например, резиновые прокладки) для увеличения коэффициента демпфирования.
Для повышения точности и устойчивости робота конструкция конструкции должна обеспечивать, чтобы масса переднего шатуна была больше массы конечного шатуна, а масса и объем конечного шатуна должны быть максимально низкими. Однако в этом случае в переднем шарнире могут возникать высокочастотные вибрации, и следует принять соответствующие защитные меры для замедления старения шарнира.
Оптимизированная конструкция имеет большое значение для точности и стабильности роботизированной руки и обеспечивает идеи и теоретическую поддержку для схемы оптимизации хирургических роботов в практическом применении.В будущих экспериментах и исследованиях мы можем попытаться изучить использование материалов с более высокой удельной жесткостью и изучить больше возможностей для повышения устойчивости путем добавления демпфирования в соединениях. Мы также можем провести специальные исследования конкретной формы каждого звена каждой руки робота, чтобы изучить влияние распределения инерции на вибрацию с целью внесения усовершенствований.
