11、五自由度手动可重构机构的静平衡与电缆驱动并联机器人安全准则研究

五自由度手动可重构机构的静平衡与电缆驱动并联机器人安全准则研究

五自由度静平衡机构设计

在外科手术中，常常需要将工具保持在特定的位置和方向。传统的机械夹持器在锁定机构时会产生残余运动，影响精度。而静平衡机构（SBM）可以手动操作定位末端执行器，同时自动补偿重力影响，无需在每次运动前后锁定和解锁机构，从而消除了锁定阶段的残余运动。

1995 年，一种使用拉伸弹簧补偿被动机构重力的技术被引入。该方法基于总势能（TPE）的守恒，即重力势能（GPE）和弹性势能（EPE）之和。对于高度由变量 h 修改的给定连杆，势能守恒公式为：
[
\frac{d}{dh}(E_T) = \frac{d}{dh}(E_G + E_K) = 0
]

本文的目标是设计用于定位轻型仪器的 5 - 自由度 SBM，并提出一种使静平衡均匀化的机械概念，以扩大其工作空间并适应不同的几何环境。

机构概念与运动学分析

该 SBM 需能够通过线性和角运动操纵细工具或仪器，产生总共 5 个自由度，其中 3 个为线性自由度，2 个为角自由度。为简化机械概念和静平衡研究，采用混合机构，部分解耦线性和角运动。

• 线性机构运动学
  线性机构在几种工作模式下的架构如图 1 所示。其运动学可通过几何方法求解。末端执行器的位置可表示为一个三维向量 ( p_E = [x_E\ y_E\ z_E]^T )。
  当线性机构锁定在水平工作模式时，正向运动学模型（FKM）为：
  [
  p_E =
  \begin{bmatrix}
  x_E \