王光建等：烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 811· 密度.由于人体烧伤创面凹凸不平，所以在切痂时 行研究的前提的.裴鑫浩和徐志鹏运用3-RPS 需要随时调整人体创面的位置及姿态，保证激光能 并联机构正解几何算法对串并联混合5自由度运动 垂直照射烧伤创面区域 平台进行了位置分析，并进行了测试.本文通过运 本激光切痂系统通过5自由度运动平台对切痂 动学逆向解法，对并联机构进行位置解析，最终通过 过程中人体烧伤创面的位置和姿态进行控制.根据 MATLAB绘制其位置关系曲线图. 激光切痂系统总体设计要求，确定5自由度运动平 选取绝对坐标系和动坐标系进行坐标系建立， 台的设计指标如表1所示. 如图4所示. 表15自由度运动平台设计指标 21 Table 1 Design indexes of five-degrees-of-freedom-motion platform 参数 指标值 运动平台承载能力/kg 500 动平台 虎克铰 X轴最大位移/mm ±250 Y轴最大位移/mm ±250 Z轴最大位移/mm ±210 中饺链副 俯仰角：±30： 最大角度/() 侧翻角：±20 山移动副 运行线速度/(mm"sl) 0.1-20 F 最大角加速度/(ads2) ±T/6 最大线加速度/(mms2) ±30 0 定平台 根据5自由度运动平台设计指标，该激光切痂 D 系统中的多自由度运动平台最终选择了2自由度串 图4并联机构坐标系 Fig.4 Coordinate system of parallel mechanism 联机构和3自由度并联机构方案，组成了5自由度 混联机构.由空间机构学理论，整个运动平台共 为方便计算与坐标变换，绝对坐标系以系统初 5个自由度，包括沿X轴、Y轴、Z轴的移动和绕X 始状态时，与动平台相连的三个虎克铰转动中心所 轴、Y轴的转动，与激光光路控制机构共同完成7自 在平面为坐标系的OY平面，Z轴为支撑立柱轴 由度运动控制. 线，铰链中心点A位于X轴线上，铰链中心B点、C 根据运动平台的设计指标与设计方案，对5自 点连线与Y轴平行，动坐标系与动平台固定在一 由度运动平台进行了结构设计与三维建模，其结构 起。初始状态时，绝对坐标系与动坐标系重合.与 示意图如图3所示 定平台相连的4个虎克铰转动中心分别定义为D、 动平台 E、F.并联机构的初始状态与尺寸参数如图5所示 ,虎克饺 各点初始状态坐标值分别为：A(L1,0,0,1)、B 串联 (-1,-2,0,1)、C(-1,2,0,1)、D(l1,0,-H, 3自由度平台 电动缸 动平台 电动缸1 支撑立柱 电动缸 电动缸2 串联 2自由度平台 电动缸3 铰链副 导轨滑块 一支撑立柱 X轴电机联轴器丝杆摞母轴电机 图35自由度运动平台示意图 Fig.3 Schematic diagram of five-degrees-of-freedom-motion platform 2.2运动平台运动学分析 E F -定平台 D 0 机构位置分析是运动平台运动学分析的基础， 图5并联机构初始状态图 是后面对机构运动空间、速度、加速度和动力学等进 Fig.5 Initial state diagram of parallel mechanism王光建等: 烧伤创面多自由度精密激光切痂系统 密度． 由于人体烧伤创面凹凸不平，所以在切痂时 需要随时调整人体创面的位置及姿态，保证激光能 垂直照射烧伤创面区域． 本激光切痂系统通过 5 自由度运动平台对切痂 过程中人体烧伤创面的位置和姿态进行控制． 根据 激光切痂系统总体设计要求，确定 5 自由度运动平 台的设计指标如表 1 所示． 表 1 5 自由度运动平台设计指标 Table 1 Design indexes of five-degrees-of-freedom-motion platform 参数 指标值 运动平台承载能力/ kg 500 X 轴最大位移/mm ± 250 Y 轴最大位移/mm ± 250 Z 轴最大位移/mm ± 210 最大角度/( °) 俯仰角: ± 30; 侧翻角: ± 20 运行线速度/( mm·s － 1 ) 0. 1 ～ 20 最大角加速度/( rad·s － 2 ) ± π/6 最大线加速度/( mm·s － 2 ) ± 30 根据 5 自由度运动平台设计指标，该激光切痂 系统中的多自由度运动平台最终选择了 2 自由度串 联机构和 3 自由度并联机构方案，组成了 5 自由度 混联机构． 由空间机构学理论［14］，整个运动平台共 5 个自由度，包括沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的移动和绕 X 轴、Y 轴的转动，与激光光路控制机构共同完成 7 自 由度运动控制． 根据运动平台的设计指标与设计方案，对 5 自 由度运动平台进行了结构设计与三维建模，其结构 示意图如图 3 所示． 图 3 5 自由度运动平台示意图 Fig． 3 Schematic diagram of five-degrees-of-freedom-motion platform 2. 2 运动平台运动学分析 机构位置分析是运动平台运动学分析的基础， 是后面对机构运动空间、速度、加速度和动力学等进 行研究的前提［15］． 裴鑫浩和徐志鹏［16］运用 3--ＲPS 并联机构正解几何算法对串并联混合 5 自由度运动 平台进行了位置分析，并进行了测试． 本文通过运 动学逆向解法，对并联机构进行位置解析，最终通过 MATLAB 绘制其位置关系曲线图． 选取绝对坐标系和动坐标系进行坐标系建立， 如图 4 所示． 图 4 并联机构坐标系 Fig． 4 Coordinate system of parallel mechanism 图 5 并联机构初始状态图 Fig． 5 Initial state diagram of parallel mechanism 为方便计算与坐标变换，绝对坐标系以系统初 始状态时，与动平台相连的三个虎克铰转动中心所 在平面为坐标系的 OXY 平面，Z 轴为支撑立柱轴 线，铰链中心点 A 位于 X 轴线上，铰链中心 B 点、C 点连线与 Y 轴平行，动坐标系与动平台固定在一 起． 初始状态时，绝对坐标系与动坐标系重合． 与 定平台相连的 4 个虎克铰转动中心分别定义为 D、 E、F． 并联机构的初始状态与尺寸参数如图 5 所示． 各点初始状态坐标值分别为: A( l1，0，0，1) 、B ( － l1，－ l2，0，1) 、C( － l1，l2，0，1) 、D( l1，0，－ H， · 118 ·