基于EtherCAT和TwinCAT3的协作机器人控制系统设计

为了降低机器人控制系统的研发周期和方便操作人员使用操作,通过对TA6-R5型协作机器人的研究,设计了基于EtherCAT和TwinCAT3的协作机器人控制系统.采用(Denavit-Hartenbery)(D-H)法建立运动学模型,求出正运动学解析解,根据各关节转动角度绝对值之和最小的原则求解出最优逆解,利用MATLA...     

基于EtherCAT的直角坐标机器人控制系统设计

为实现EtherCAT技术在直角坐标机器人中的应用,文章提出了一种使用德国BECKHOFF公司的EtherCAT从站开发板FB1111-0141和TMS320F2812单片机的设计方案。研究结果表明:EtherCAT技术可以实现直角坐标机器人更快、更稳定、更精确的位置控制。     

基于TwinCAT3的一种开源机器人控制系统设计

目前主流工业机器人为封闭式控制结构,存在不开源、二次开发难的问题,因此设计一种基于倍福自动化控制软件（the windows control and automation technology, TwinCAT3）的跨平台、可移植性好的机器人控制系统架构。该架构包含视觉、运动控制和算法集成与仿真控制模块,采用倍福自动化设备规范（automation device specification, ADS）通信技术和实时工业以太网总线技术（ethernet for control automation technology, EtherCAT）,建立以PC 计算机（personal computer, PC）和倍福控制器为EtherCAT主站,控制多组从站执行器的一主多从工作模式。该模式结合离线与在线控制、集成数字孪生技术,完成虚拟样机与物理样机的联动;采用开源可扩展架构,便于视觉算法、智能算法等算法集成。经实验验证,此架构具有拓展性好、实时性强的特点。     

微创手术机器人被动式关节设计和优化

设计一种用于微创手术机器人的被动式关节,实现了机械结构和控制驱动的一体化设计;关节可以实现回转运动并实现手术中关节在任意位置的可靠锁紧;锁紧机构采用步进电机驱动,通过压力传感器检测锁紧力矩大小,力矩可调.     

腹腔微创手术机器人手术器械设计

为提高腹腔微创手术器械的灵活性,设计一种具有四个自由度腹腔微创手术机器人用手术器械.器械采用钢丝进行传动,能够实现在手术过程中快速更换不同的手术器械.在器械结构设计的基础上对关键部件进行受力分析,并对器械进行运动学分析.通过仿真实验来验证结构设计和运动学分析的正确性和有效性.     

基于论文和专利的微创手术机器人领域研发现状及前沿热点分析

为全面了解微创手术机器人领域的研发现状,本文基于论文与专利数据,对全球微创手术机器人发文趋势、国家分布、前沿热点等进行分析。结果表明,在2011—2020年间,微创手术机器人领域呈积极发展态势,无论论文还是专利的数量均呈现增长趋势,尤其是在2015—2016年后发展势头增加。在国家分布上,美国在论文发表和专利申请数量中均为最高,遥遥领先其他各国,处于全球领先水平;中国在论文和专利数量上排第二,但技术水平落后于发达国家;通过文献计量指标,意大利、英国、韩国在微创手术机器人方面均处于全球领先水平。从机构分布上来看,论文发表主体以高校及研究院所为主,技术创新主体以企业为主;美国的机构在论文发表和专利申请数量及影响力上占据绝对优势。本文基于高水平论文以及PCT专利挖掘微创手术机器人领域的前沿热点,可以发现机械手与机械臂、控制方法与系统、图像处理等均是论文和专利的焦点;但论文数据在理论研究上更突出,尤其是深度学习算法在微创手术机器人方面的研究。     

血管介入微创手术机器人系统控制研究

医生在进行血管介入手术过程中需要实时的X射线图像引导,而长时间的射线辐射会严重危害医生的健康.为了减小介入医生在手术过程中受到的辐射伤害,该文研究了一款基于双主手控制的血管介入微创手术机器人系统,并对其整体框架和控制方法进行研究.医生可通过上位机界面交互,进行主从遥操作,驱动从端机构完成介入手术操作.最后进行了血管模型试验,验证了该文的介入手术机器人具备多器械协同递送的功能.     

紧凑型微创手术机器人的设计与实现

紧凑型微创手术(MIS)机器人的开发对微创手术技术的推广具有重要意义.在深入分析造成da Vinci微创机器人体积庞大的原因的基础上,开发了一种紧凑型微创手术机器人系统.通过添加双被动关节的方式实现了机器人从操作手的紧凑设计,并提出了与该从操作手相匹配的运动支点预估算法;针对从操作手的应用需求,设计出一种具有末端自转功能的新型微创器械,该器械有助于降低机器人辅助微创手术的操作难度;结合器械的构型特点,设计了机器人主操手,并建立了微创机器人主从运动映射模型,解决了传统微创手术中存在的眼手运动不一致问题.利用所开发的系统样机进行了系列验证性实验以及动物实验,充分验证了所提出的微创手术机器人设计方案的可行性.     

基于PC-Based的TwinCAT数据接口研究

介绍了PC-Based技术的TwinCAT.工控软件,通过利用动态连接库,专用数据接口函数实现与VC++的数据传递,能有效缩短开发周期,降低开发成本,提高系统性能,对于工程项目的开发设计者具有很大的帮助.     

机器人辅助脊柱微创手术系统设计与实现

研制了机器人辅助定位系统以解决脊柱微创外科手术中的高精度定位问题.分析建立了机器人的运动学模型,设计了一套以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A为核心的控制系统,介绍了该系统平台的工作原理、硬件设计与软件设计.系统已在实际环境下进行试验,满足设计要求.     

世界首台脊柱微创手术机器人研制成功

由第三军医大学重庆新桥医院与中科院沈阳自动化研究所联合研发的、具有完全自主知识产权的脊柱微创手术机器人于近日在新桥医院投入前期临床试验。这是世界上首台专门用于脊柱微创手术的机器人系统，标志着临床脊柱微创手术即将步入全新的机器人时代。     

腹腔微创手术机器人远程控制平台开发及实验

机器人辅助远程手术是将微创手术机器人技术应用于远程诊疗,有助于解决我国医疗资源分布不均的现状.基于腹腔微创手术机器人技术及远程控制需求,搭建了远程控制平台.利用最新H.264视频编解码技术及高效视频压缩/解压缩设备解决图像传输延时问题,并采用TCP/IP传输协议与上位机校验机制相结合的方法,保证远程控制数据的准确性与可靠性.结合现有MicroHand微创手术机器人与已开发远程控制平台在北京和天津之间建成机器人辅助远程微创手术示范环境.在远程手术机器人系统集成基础上开展两地之间多个时段网络环境测试及远程套环实验.经测试,两地之间控制信号单向平均网络延时最大为12.3,ms,系统双向总延时最大为302.6,ms,数据包丢失比率最大为4.10%.套环实验表明,所开发远程控制平台具有较好的主从控制性能以及远程可操作性,可进一步开展远程手术系统开发.     

心血管微创介入手术机器人推进机构的关键技术研究

推进机构设计作为心血管微创介入手术机器人的重要部分,其可靠性直接影响了所设计手术机器人系统的精度和准确性。通过对心血管微创介入手术机器人推进机构的分析,模仿人手的推进和捻旋操作方式,设计一种新型的导管、导丝推进机构,实现导管、导丝、球囊、支架的递送,以达到辅助医生完成介入手术的目的。并设计了推进机构的主从操作系统,操作者可以在远端操控推进机构完成对导管、导丝等器械的推进和捻旋,大大减少手术过程中对医生的辐射,降低医生的劳动强度。并对力反馈的实现方法进行设计和分析,实现远程操作医生的力觉临场感,进一步增强系统的可靠性。     

面向喉部微创手术的经口腔单孔柔性机器人设计

传统喉部微创手术主要是借助于支撑喉镜进行的.而这种方式建立的手术通道狭长,手术视野及手术操作空间受限,存在着视觉盲区及操作盲区.该文针对以上问题,设计了一种新型的经口腔单孔柔性机器人,该柔性机器人可通过弯曲运动改善视觉盲区与手术操作盲区.柔性臂外径为10 mm,最大弯曲角度可达225°,并且实现了双段弯曲.柔性臂内部集成了医用内窥镜,并预留了2个器械通道,可满足复杂手术需求.该研究还进行了喉部微创手术模型实验,验证了柔性机器人进行手术的可行性.     

基于μC/OS-Ⅱ微创手术机器人实时控制系统移植与实现

针对微创手术机器人控制系统具有实时性强,可靠性、稳定性高的要求,数据计算量大等问题,根据S12XDP512双核微处理器的特点,介绍采用协处理器完成处理系统的时钟节拍。遍历所有的任务控制块,判断是否需要任务调度的移植策略,使主CPU的中断服务程序不需要再调用时钟节拍函数,仅保留与任务数目无关的函数,且仅在需要任务调度时运行,从而大大提高系统的实时性与稳定性。此移植策略在研制的微创手术机器人平台上得到验证,该系统能够稳定运行。     

微创手术机器人丝传动器械的夹持力补偿模型

稳定有效的手术器械夹持力输出是保证机器人辅助微创手术顺利完成的基本条件.为实现手术器械夹持力的稳定输出,有效提高微创手术(MIS)机器人手术操作质量,提出了一种基于夹持力预测的力补偿模型.在此基础上计算了器械不同姿态下的开合关节驱动力矩的补偿量,利用该方法所构建的夹持力补偿模型可应用于对丝传动手术器械夹持力的输出控制中.该建模方法的优点是只需要用到姿态信息与夹持力信息两种数据,而无需考虑器械传动中间环节中的各种复杂因素对夹持力的影响.最后,通过基于样机系统的实验研究验证了所提出的微创手术机器人丝传动器械夹持力补偿建模方法的可行性.     

基于EtherCAT的风力发电机组主控系统设计

机组主控制系统是变速恒频风力发电系统的核心,是机组最佳状态运行和精确控制的保证.计算机控制和网络控制技术的发展使得机组主控系统运行的可靠性和智能化大大提高,通过引入EtherCAT实时以太网控制技术,设计了基于EtherCAT技术的风电机组主控制系统,提高了机组系统的实时控制和数据传输能力,并给出了硬件和软件设计方案.     

基于虚拟夹具的微创外科手术机器人运动约束研究

机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术能够显著提高外科医生对手术的执行能力.然而,现有的机器人主从遥操作模式下所存在的不足之处(如手眼协调性差、可视空间狭窄、力反馈信息的缺失等)容易导致医生产生过度操作而引起机器人执行机构的碰撞干涉(包括机械臂之间的碰撞干涉及内窥镜杆与手术器械杆的碰撞干涉)和手术器械末端脱离手术视野,由此带来的安全性问题不容忽视.本文提出了一种基于虚拟夹具的微创外科手术机器人空间运动约束方法,以"MicroHand S"机器人系统作为应用平台,在进行机械臂构型及运动学分析的基础上,针对上述问题展开研究,通过构建碰撞干涉检测模型实时监测机器人执行机构之间及机器人与环境物体之间的相对距离,并设置相应的安全预警区域,采用人工势场与虚拟代理点相结合的方式对机器人执行机构的运动空间加以限制,从而达到对医生的操作动作进行合理的引导与约束,提高手术效率与操作安全性的目的.该方法无需构建复杂的几何模型,虚拟夹具的定义方便快捷,对于其他主从操作模式下的微创外科手术机器人系统及类似的人机交互环境具有普适意义.最终的虚拟仿真实验结果表明,在有、无虚拟夹具两种操作环境下,实验参与人员的表现有...     

基于TwinCAT Vision的自动插磁视觉定位系统设计

为解决传统的视觉系统与组装流水线的流程控制分属于两套不同系统的问题,在通过串口或TCP/IP进行通信时易导致停机、停线、减慢生产节拍等问题,利用TwinCAT Vision机器视觉模块设计了一套流水线上的转子视觉定位系统,系统的图像处理部分被添加到整合PLC(programmable logic controller)运动控制的通用控制平台TwinCAT上,实现与整个转子装配流水线中PLC运动控制模块的无缝连接。视觉定位系统通过TwinCAT Vision采集流水线操作台上的转子图像,传递到实时内核模式下的PLC机器视觉与工艺流程控制系统中。研究表明,与传统机器视觉方案相比,该视觉定位系统减少了通信环节,提高了系统稳定性,节省时间约26.2 ms,效率提高96.3%左右,有效缩短了检测环节的用时。     

基于EtherCAT的高性能交流伺服控制系统设计

 高性能伺服控制系统已从模拟控制发展到全数字控制,性能不断提高,在军用和民用方面具有广阔的应用前景。基于现场总线网络的伺服控制系统因其高可靠性、快速性和稳定性,成为伺服运动控制系统的发展趋势。本文针对高性能伺服控制系统在控制现场需要多个伺服电机并联,组网困难,实时性要求高等使用特点,引入实时以太网EtherCAT技术。阐述了EtherCAT的组成、工作原理及报文协议,设计了基于EtherCAT的高性能伺服控制系统,利用EtherCAT从站接口控制器ET1100和DSP芯片TMS320F2812开发了EtherCAT从站设备,构建了一主多从的EtherCAT网络结构,并给出了系统硬件和软件的设计方案,实现伺服系统的位置控制和实时数据传输。