机器人在全膝置换手术中的应用

将机器人引入传统的全膝置换手术中，介绍了机器人辅助全膝置换手术系统硬、软件的基本结构．从术前模型的建立，术中数据的提取，完成术前和术中图像的配准，最后输出为机器人轨迹规划和控制这一过程的技术细节，对该系统进行讨论，并通过应用ICP(Iterative Closest Point)算法的反复迭代特性，使系统的实际响应与预期响应逼近．试验证明该系统是可行的．     

融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究

针对现有穿刺手术机器人远程中心运动(RCM)无法兼顾安全性、精准性及空间有效性的问题,提出结合RCM机构和多自由度串联机械臂,研制一款混联式穿刺手术机器人系统。首先,基于双平行四边形机构设计机器人末端RCM执行机构,用于保证穿刺手术过程中远程中心运动的精度与安全性;然后,结合串联机械臂搭建穿刺手术机器人系统以保证较大的工作空间;最后,设计混联式机器人与现有基于主动式RCM约束(ARCMC)的通用串联穿刺手术机器人系统RCM的定位精度对比实验。结果表明,与基于ARCMC的机型相比,所设计穿刺辅助机器人系统的远端中心俯仰运动和翻滚运动位置误差分别降低了52.6%和59.7%,且其工作空间也远高于基于被动式RCM约束(PRCMC)设计的穿刺手术机。由此可以证明所设计的混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好。     

一种并联骨折手术机器人的安全运动控制方法

骨折手术机器人是实现精准微创骨折复位的优势方案．现有骨折复位手术器械存在效率低、精度差、缺乏复位安全策略等问题，难以保证安全高效的治疗．为解决上述问题，本文提出一种并联骨折手术机器人及基于全关节逆解算法的安全运动控制方法．首先，针对该并联机构开展全关节逆解分析．由骨折复位轨迹的离散轨迹点获取机器人末端的位姿，建立机器人机构的闭环矢量方程，以关节转角为未知量整理多元一次方程组，考虑关节间的运动约束通过两条运动链解析求解所有关节转角．其次，设计安全运动控制系统．上位机设置正常、预警及超限3种状态．在机器人运行过程中，由上位机读取复位轨迹离散点的位姿信息，通过全关节逆解模型计算出下一轨迹离散点对应的关节转角并判断运行状态，若超限则发送指令使机器人停止运动，并显示发生危险的关节位置．最后，开展安全运动仿真与实验研究．仿真表明全关节逆解模型可快速计算出全部关节的运动状态并准确进行安全判断．实验结果表明，骨折手术机器人运行过程中，控制系统可及时发现机器人临近危险状态并使机器人停止运动．本文提出的安全运动控制方法无需增设安全检测或保护装置，既保证了骨折手术机器人的轻质便携需求，又保证了安全高效精准的...     

高压绝缘子清扫机器人的动力学建模及分析

从支柱型绝缘子带电清扫机器人的振动问题中，提取出一类由柔性臂和刚性臂组成的系统，刚性臂和柔性臂之间采用垂直移动关节连接，构成了末端具有移动刚体的柔性臂系统．在假设模态法的基础上建立了系统的Lagrange动力学模型，建模过程考虑了重力对柔性臂振动的影响．根据模型分析了刚性臂全局运动与柔性臂柔性振动的相互影响，刚性臂的全局运动使柔性臂的振动频率降低，阻尼增加．应用该模型对绝缘子清扫机器人的振动进行了仿真．为优化清扫臂的全局运动，降低升降臂的振动提供了依据．     

老年股骨颈骨折的手术治疗

老年股骨颈骨折是老年人最常见骨折之一．因其解剖特点,股骨颈骨折极易并发骨折不愈合和股骨头坏死,使得治疗颇为棘手．近年来,股骨颈骨折手术治疗方法有了很大改进,包括：内固定、骨瓣移植、人工股骨头置换、人工全髋关节置换等．笔者就各种术式适应证、优缺点、效果及并发症等进行了综述．     

基于主动视觉的机器人末端姿态测量

采用平面校准形及移动摄像机到不同形位摄取图像的方法来进行摄像机校准，由灭点正交性和单对应矩阵的固有特征估计摄像机内、外参数初值，通过非线性优化来最小化投影误差；利用遗传算法求解机器人手眼矩阵，避免了初值估计，可容易地得到机器人执行器末端相对于绝对坐标系的姿态．实验和计算验证表明，这种测量方法是有效的，可以用于机器人校准、机器人辅助测量以及机器人辅助手术等领域．     

基于分布式的开放式移动机器人平台的设计

研究适合网络控制的机器人系统结构、接口方式、硬件结构和机器人控制方式等等，将为机器人在这方面的应用起到积极的推动作用。然而，目前对这种特殊机器人的硬件结构本身的研究却相对比较缺乏。本文提出了设计一种适合网络控制的小型机械臂系统与移动机器人，描述了通用、开放、分布式控制的即插即用机械臂和高度可扩展的移动机器人控制平台，并探讨了它们在网络机器人及其他场合的应用。     

视觉定位脑外科手术机器人系统的坐标映射

详细阐述了基于视觉定位技术的脑外科手术机器人系统的构成与手术过程,探讨了系统四个坐标系之间的相互映射关系·利用计算机视觉、机器人和医学影像三维重建技术,辅助医生完成脑外科手术·系统采用标记点校准方法,用视觉定位代替人为机械臂定位方式,使系统在手术精度与智能化方面有了很大的改善·通过研究各个坐标系之间映射关系,完成手术校准与规划,引导机器人到达规划的位姿,为实际应用提供了理论基础·     

应用于机器人辅助微创外科手术的术前规划方法

机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术可帮助外科医生有效克服传统微创外科技术的不足,提高外科医生对手术的执行能力,其所带来的良好的临床效果已被广泛接受.对于机器人来说,术前规划工作相对于传统微创外科手术更为复杂,合理的术前规划可以有效避免机器人末端执行器之间的相互干涉,提高机器人辅助微创外科手术的可操作性、可达性和可视性等,这对手术效果至关重要.本文将微创外科手术规划临床经验与机器人操作性能知识相结合,提出了一种基于多目标粒子群优化算法(MOPSO)的术前规划方法,从机器人有效工作空间、碰撞干涉检测、机械臂与器械末端运动灵活性及手眼协调性几个方面入手,对机器人进行综合性的定量评价,并以此为依据通过计算求解得出以合理的患者体表手术切口位置与机器人初始设置位置为主要目标的方案.为验证该方法的有效性,以机器人辅助腹腔镜胆囊切除术为实验范例,应用"MicroHandS"手术机器人系统为实验设备,针对同一名病患,将外科医生的经验方案和由算法计算得出的术前规划方案进行比较分析,其结果证明了该方法的优越性.实验结果表明,由优化算法得到的术前规划方法优势明显,有效地解决了以往仅依靠临床经验进行机器人辅助微创外科手术术前规划所带来的问题,提高了手术的安全性和效率.     

多臂机器人系统的动力学分析与实验

多臂机器人系统的两个或多个臂协同夹持一物体时，系统形成闭环构造，可视其为具有约束的多体系统．本文基于ｋａｎｅ方程，实现了约束多体系统的动力学分析．通过引入正交补矩阵，形成多臂机器人系统的主导方程．以双臂协同夹持刚体为例，讨论了系统的动力学特性．数字仿真结果与实验结果吻合较好     

核磁共振环境下六自由度穿刺定位机器人的研制

针对核磁共振环境下穿刺手术的定位难题,采用机器人串并联机构设计并运用气动驱动方式,研制出6自由度的穿刺定位机器人.结果表明,所研制的穿刺定位机器人能够满足穿刺机器人与核磁共振环境中结构和材料的兼容性,实现了核磁共振环境下穿刺手术的机器人定位.     

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.     

前列腺穿刺活检手术机器人的运动控制

针对传统手工进行前列腺穿刺活检的不足,设计了多自由度穿刺活检手术机器人模型.根据穿刺活检手术对机器人自由度及精度的要求,确定了机器人的位置调整方式和传动结构,并通过Solidworks建模设计机器人的三维模型,建立了机器人的D-H矩阵,运用Matlab中的SimMechanics工具箱实现机器人的工作空间仿真.仿真结果表明穿刺针工作空间范围是可行的.机器人代替传统手工进行前列腺穿刺活检具有精度高、更加灵活的优点,可有效降低医生的手术难度,对提高前列腺癌的阳性活检率有着重要的意义.     

The kinematics modeling based on Spinor theory for CT-guided hybrid robot

This paper focused on a simplified method for solving the hybrid robot kinematics in CT-guided (computerized tomography, CT) surgery. By position constraint introduced, the hybrid robot can be transformed as a redundant serial 7-DOF robot. The forward displacement calculation was developed based on the product-of-exponential formula (POE). Because of the kinematics complexity of the hybrid and redundant robot, the combination technique of Ulrich two-step iteration method and paul variables detachment method (UTI-PVD) was introduced to fulfill the inverse kinematics of redundant robot, the novelty of which lay in the flexibility of various robots structures and in high calculation efficiency for real-time control. The process of solving the inverse displacement was analyzed. The UTI-PVD method can be applicable to kinematics of many robots, especially for redundant robots with more than 6DOF. The kinematics simulation was provided, and robot dexterity analysis was presented. The results indicated that the hybrid robot could implement the minimally invasive CT-guided surgery.     

正骨机器人术前视觉导航方法与实验验证

针对足踝正骨机器人在手术前获取患者脚部目标位姿参数用于机器人引导的需求,提出了一种针对患者脚部目标点云的位姿估计方法。该算法利用主成分分析法获取脚部目标点云的中心点和点云数据最大分布的方向向量,并结合方向包围框对参数进行修正,将最终目标位姿参数用于机器人的视觉引导。开展基于UR5协作机器人的视觉引导实验,验证方法有效性。实验结果表明,利用本文方法得到的结果准确可靠,操作简单方便,可满足正骨手术机器人目标定位的临床需求,为中医正骨的进一步智能化和实际应用提供了理论参考与实践基础。     

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.     

虚拟现实技术在遥控机器人领域的运用

虚拟现实技术的起源和发展得益于机器人技术,同时为机器人技术提供了强有力的技术手段,二者之间有相互协同优势.阐述基于虚拟现实的遥控机器人的技术原理、体系结构、开发平台与当前主流方法,并分析了远程遥控机器人医学手术、家用机器人远端操控系统、远程空间作业机器人的实例,介绍了本领域中的已解决问题与待解决问题.     

Reconfigurable robot based on modular joint concept

0IntroductionWiththe rapid progress of the modern science andtechnology,the acquirement and usage of resources willbe extendedtothe spacefromthe earth.But many activi-ties can not be completed without space robots,such asthe construction and maintenance of the InternationalSpace Station(ISS),the release and retrieve of the satel-lite[1,2].Since space robot has been brought forward,upto date,the Canadarm2(SSRMS)is the only real-work-ingrobot manipulator[3].ETS-VII is the worldfirst satel…