基于多体理论的虚拟血管缝合分析

针对传统主从式医疗机器人在客观爷件限制的情况下很难实现主从手之间的实时力反馈的问题，提出了通过虚拟现实技术实现虚拟力反馈以替代真实力反馈的方法．以“妙手”系统为研究对象，在建立显微外科手术血管缝合过程中缝合线力学模型的基础上，根据多体系统动力学理论，对由人、互感装置和虚拟环境组成的广义多体系统进行了动力学分析，由凯恩方程建立了该系统的动力学方程．通过主手的仿真数据与从手缝合过程检测数据对比分析可知，主手和从手有相同的运动特性、证明借助虚拟环境的力反馈作用，操作者通过主手可以真实地感受到从手的运动特性．     

具有交互夹持力感觉的主从触感装置

面向血管显微外科手术，研究开发了一套具有交互夹持力感觉的主从触感装置．提出了主操作手的基本设计原则，并应用可操作性基本原理与方法进行机构构型综合，设计了主操作手的夹持力感觉装置；建立了主操作手的多体动力学模型，对运动过程中各关节动态特性进行仿真验证；基于夹持力的数学模型，分析了手指系统在不同模式下夹持力与运动关系．对整套系统进行性能测试与动物实验研究．实验结果表明：主操作手基于可操作性原理的综合构型具有较好的动力学特性，适合医生操作；手指的夹持力与两弹簧的弹力差成正比；该装置能够实现主从操作下的交互夹持力感觉．     

基于波变量的力反馈遥操作研究

设计了一个基于波变量的带力反馈的主从式遥操作系统.引入波变量保证系统在操作过程中的稳定性.以虚拟环境中灵巧手的位姿代替实际力作用方向的位移,用于虚拟力计算;使用事先实验获得的实际材料接触力特性数据进行虚拟力外推.仿真实验结果表明,该方法能给操作者提供连续的力反馈,保证了较高的透明度和刷新率.     

虚拟现实力觉临场感系统的动力学建模研究

介绍了虚拟现实力觉临场感系统构成,指出了虚拟现实技术是解决力觉临场感遥控作业系统时延的最有效的方法之一;实现虚拟现实力觉临场感系统的关键是建立精确的虚拟环境模型。提出了分段描述环境动力学特征的观点,并进一步讨论了不同工作区中环境的动力学模型,阐述了环境等效阻抗具有非线性、时变性;同时给出了操作者、主从机械手子系统的动力学模型。该研究将对虚拟现实力觉临场感遥控作业系统的分析、设计和控制具有重要意义。     

时延下比率遥操作系统稳定性与性能折衷策略

通过系统动力学和二端口网络建模,采用通用控制结构,定义了时延下比率遥操作系统的理想性能,得出了实现理想性能的主从系统控制参数必须满足的约束条件.基于莱威林二端口网络绝对稳定性准则,在实现理想性能的策略基础上调节主从系统阻抗,导出了在操作者和环境无源条件下使用三通道结构实现时延比率系统的绝对稳定性与保持性能折衷的控制策略.通过仿真提出了用变阻尼来增强系统性能的改进方法.仿真结果表明了本策略的有效性.     

面向柔性环境的主从双向控制系统

依据手与环境交互模式的特点,对柔性环境下的主从双向控制进行了研究。通过对任务环境特点的分析,明确系统中各个变量之间的因果关系。结合对操作者的智能和协调能力的考虑,给出包括操作者和环境在内的整个系统的因果关系。提出一种基于扰动观测器和低通滤波器的F-P双通道控制方案,探讨该方案的稳定性和透明性,并进行仿真分析和实验。结果表明:速度跟随相对误差为1.15%,力反馈相对误差为5.00%。该方案能够实现较好的速度和力跟踪效果。     

基于动力学耦合模型的超冗余振动台解耦控制

超冗余振动台在带负载工作时,由于负载的偏心,其动力学模型中的质量矩阵为非对角矩阵,各个自由度之间出现动力学耦合现象.文中通过建立液压系统的非线性模型和基于空间力系分析的动力学耦合模型,得到了整体动力学仿真模型;根据动力学耦合模型引入耦合力观测器,经过雅可比矩阵变换,将耦合力分解到各液压作动器上,视耦合力为液压系统的干扰力进行控制.在对液压系统线性化分析的基础上,确定了干扰力的顺馈补偿控制策略.仿真结果表明:该解耦控制策略可以有效减小各自由度之间的耦合,实现对超冗余振动台的解耦控制.     

五指仿人灵巧手运动学与动力学模型

对气动人工肌肉驱动的五指仿人灵巧手进行了运动学及动力学分析. 在Matlab上进行了仿真计算,建立了灵巧手的运动学模型并求得其解析解;同时用Newton-Euler方法对灵巧手进行了逆动力学分析,得出了灵巧手的动力学方程.通过基于灵巧手动力学模型和气动人工肌肉静态模型的主从控制实验,结果表明,可以通过数据手套采集关节的角度变化信息控制灵巧手完成抓取物体的动作.     

基于Internet实时遥操作移动机器人

构建了能使操作者通过Internet远程实时控制的移动机器人系统。为了补偿网络时延和抵消其对遥操作系统的影响,基于我们以前提出的改进型Smith预估器原理,给出了预估控制策略。为了保证系统稳定性和透明性,基于主从端的传感器信息交换,设计了一个动态模型管理器,并给出了同步管理算法。除了力反馈外,为了增强系统控制的实时性,引入了预估的虚拟显示。为了降低时延抖动,提出了新的网络时延管理算法,并分析了时延缓冲器原理。最后长距离的网络遥操作实验验证了系统和控制策略的实用性和有效性。     

新型力觉径向基神经网络整定PD控制算法研究

结合双向液压伺服系统的特点，通过对国内外的双向伺服控制系统分析，提出一种以主从手之间的力偏差作为从动端控制信号，位置偏差形成主手控制量的新型力反馈双向伺服控制系统，同时采用了RBF神经网络整定PD控制算法。通过仿真实验结果表明，该算法对新型力觉双向伺服控制系统具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点，进而改善了系统的动态性能，具有较强的鲁棒性、自适应性和快速性。     

电液伺服遥操作机器人的力觉临场感研究

该文借鉴电机驱动主从随动控制系统的研究方法，并结合液压系统的特殊性，对电液伺服遥操作主从机械人的力觉临场感进行了分析。综合了对称型双向伺服控制系统和力直接反馈型双向伺服控制系统的优点，以从端受力形成力反馈控制量的增益，位置误差和位置误差的变化率形成力反馈控制量，提出了改进对称型控制算法，即力一位置综合型双向伺服控制算法。实验结果验证了新方法的有效性。     

Exoskeleton arm with force feedback for robot bilateral teleoperation

A novel 6 degrees of freedom (DOFs) wearable exoskeleton arm, ZJUESA, based on man-machine system is presented. It can be used in robot bilateral teleoperation as master arm with force-feedback. With introducing the revolute-prismatic-spherical (RPS) parallel mechanism and planetary gear mechanism, it is designed based on the anatomy of human upper-limb. With the sensors on this external mechanical structure, the human operator motion is detected and converted to the slave robot control command. Additionally the pneumatic system on it generates a force feedback by using hybrid fuzzy control. As a result, the human operator may have a feeling of doing the work directly.     

Exoskeleton arm with force feedback for robot bilateral teleoperation

A novel 6 degrees of freedom (DOFs) wearable exoskeleton arm,ZJUESA,based on man-machine system is present- ed.It can be used in robot bilateral teleoperation as master arm with force-feedback.With introducing the revolute-prismatic-spherical (RPS) parallel mechanism and planetary gear mechanism,it is designed based on the anatomy of human upper-limb.With the sensors on this external mechanical structure,the human operator motion is detected and converted to the slave robot control command.Additionally the pneumatic system on it generates a force feedback by using hybrid fuzzy control.As a result,the human operator may have a feeling of doing the work directly.     

主-从机器人双向伺服控制方法研究

设计了液压伺服主、从机器手,并对力觉双向伺服控制算法进行了研究与实验.由于零开口对称伺服阀的结构特点使得主机器手控制力不能直接驱动本身执行器,而需要主机器手控制力信息通过控制器来间接驱动,这一过程必然影响控制系统的响应速度.通过采用主、从机器手的力偏差信号控制从机器手,用主-从机器手的位置偏差信号控制主机器手的力觉反馈.这种新控制策略改变了从机器手跟随主机器手,主机器手感受从机器手力的常规控制模式,提高了主-从控制系统的响应速度,并可根据主机器手对从机器手的跟随来判断从机器手是否出现干涉等,对力感觉机器人双向控制理论研究与实践有一定的借鉴作用.     

垂直壁面行走机器人控制系统研制

本文介绍垂直壁面行走机器人控制系统．该控制系统采用二级计算机控制．二级计算机之间采用射频无线电通讯．上位机采用４８６微型计算机系统，下位机则采用ＲＯＲＺＥ系统新型步进控制驱动系统．上位系统能够对控制系统中的各部分以及视觉系统、作业装置系统和辅助系统的行为进行协调和管理．     

新型力反馈双向伺服系统干扰观测器PID控制算法的研究

针对目前力反馈双向伺服遥操作工程机器人控制系统所存在的反馈力冲击过大及主从位移控制的随动性 较差等问题,提出了在新型力反馈伺服系统中加入干扰观测器来改善从动机构的动态特性差异,从而提高从动机 构的鲁棒稳定性和抗干扰能力。仿真结果表明提出的方法是有效的。     

时延遥操作系统的从端预测无源控制

在传统的波控制器基础上,用线性两点预测与五点二次预测凸联合的方法对从端的期望速度与反馈力进行在线预测,并用此预测值指导从端机器人的动作,使其具有一定的自主性.当其与环境的接触力发生突变时,则停止预测,并适当回退其动作,等待操作者的指令.在从端设计了一个无源控制器用来吸收多余能量,以保证从端无源性,从而保证加入预测器后系统稳定.仿真实验表明,如果环境模型精确,安全系数选取适当,与传统的波控制器相比该方法能将系统的操作性能提高一倍以上.     

新型力反馈双向伺服系统干扰观测器PID控制算法的研究

针对目前力反馈双向伺服遥操作工程机器人控制系统所存在的反馈力冲击过大及主从位移控制的随动性较差等问题，提出了在新型力反馈伺服系统中加入干扰观测器来改善从动机构的动态特性差异，从而提高从动机构的鲁棒稳定性和抗干扰能力。仿真结果表明提出的方法是有效的。     

时延下遥微操作机器人系统滑模变结构控制研究

针对遥微操作机器人系统在实际远程手术应用中存在时延而易导致系统不稳定且难以控制的问题,通过系统动力学建模和时延下系统理想性能的定义,设计了一种保持系统稳定和良好操作性能的新型控制方案.在该方案中主机械手采用基于期望特性的阻抗控制而从机械手采用基于指数趋近律的滑模变结构控制策略.仿真实验结果表明了该方案的有效性和鲁棒性,系统能在时延下较好地实现位置比例跟踪和力比例跟踪.     

主从式遥操作血管介入机器人

传统的血管介入手术需要医生徒手操控导管,存在医生受辐射和人为因素影响手术质量等弊端.针对该问题,设计了用于辅助医生手术的主从式遥操作血管介入机器人.根据临床手术的要求,基于模块化理念,分别对机器人的从端推进机构、主端操控装置进行了结构设计,为主从模式的实现做了相关的软、硬件开发;对机器人样机进行了必要的性能测试,证实了该机器人具有小于1mm的运动控制精度和044ms的主从运动实时性.结果表明:该机器人系统解决了传统手术中的问题,在功能和性能上完全满足血管介入手术的要求,具有较高的临床使用价值.