人工髋关节柄磨损评定中的三维表面形貌测量

论述了物体表面形貌的测量在工程上的重要性,指出了目前学术界与工业界所普遍采用的二维表面测量与评定的局限性,进而说明了三维表面测量的重大意义.在此基础上,将三维表面测量仪器,即接触式触针仪器、非接触式光学干涉仪以及原子力显微镜的原理、现状进行了分析比较.同时,对三维表面的评定技术及其三维表面参数,特别是"伯明翰14参数"的发展做了系统的论述.最后,以三维表面形貌测量在人工髋关节柄磨损评定中的应用为例,其结果表明,粗糙表面的髋关节柄和骨水泥之间的磨损为磨粒磨损,而抛光表面的髋关节柄和骨水泥之间的磨损为微动磨损,此为生物医学上进一步降低磨损微粒的产生、提高人工髋关节的寿命提供了重要参考.     

无柄人工髋关节术后并发症分析及预防处理

目的：总结分析无柄人工髋关节置换术后并发症发生的原因,提出并发症预防及处理的方法。方法：自2001年8月至2009年2月,对69例无柄人工髋关节置换病人随访半年-8年,其中有7例患者出现并发症,主要有髋关节疼痛（1例）、感染（1例）、脱位（2例）、松动（3例）等,对这些并发症的发生进行了评价分析并针对原因提出可能的预防处理方法。结果：无柄人工髋关节置换并发症的发生原因与术中、术后操作及处理不当有直接关系,开展该手术初期的手术病人并发症出现率高于开展该手术后期的手术病人。结论：正确熟练地掌握无柄人工髋关节置换手术的设计原理及操作技术是预防术后并发症的关键,无柄人工髋关节置换术后并发症是可以预防或减少的。     

完整步态下人工髋关节微动的非线性有限元分析

采用接触非线性有限元模型,分析在生理载荷下一个完整步态中人工髋关节的微动规律.通过CT图像重建出完整股骨三维CAD模型,按照手术要求模拟关节植入,采用面-面模型构造出人工髋关节置换术(THR)后假体与股骨接触非线性有限元模型.按照不同步态事件下髋、膝关节力作为栽荷步进行加载计算.计算结果分析表明:一个步态下人工髋关节的微动在0～25 μm,微动形式分别为沿矢状轴和冠状轴的旋转运动.造成长期效应下的人工髋关节无菌松动的主要原因是关节的微动.     

人工髋关节置换后股骨柄应力的有限元分析

建立了全髋关节置换术后的三维有限元模型，应用目前先进的ABAQUS有限元软件，对临床骨科医学中采用的人工髋关节在多种承载条件下股骨柄的应力的大小和分布状况进行了较为详细的计算与分析，为改进人工髋关节的设计、置换和提高人工髋关节寿命提供了一些有益的依据。     

一种串联机器人的随机误差分析方法

利用旋量理论,通过定义关节处的误差运动旋量,建立了包含结构参数误差的串联机器人误差模型. 在此基础上,提出了一种将Monte Carlo方法与串联机器人误差模型相结合的随机误差分析方法,用于揭示机器人末端位姿误差的概率特性. 并以直角坐标装配机器人为例,在Matlab软件环境中进行了仿真,得到了机器人末端随机位置误差在工作空间内的分布规律. 仿真结果表明,该方法正确、有效,仿真得到的随机误差特性对标定精度的提高以及最优工作空间的选择具有重要意义.      

回转体加工中的机器人零位校正方法

在机器人加工中,采用理论几何模型控制机器人的运动,其与作业机器人的几何模型并不一致,导致加工误差的形成.为此,研究了工业机人零位误差对回转加工的影响.利用基于激光跟踪仪的轴旋转法求取关节的旋转中心和旋转轴向;借助最小二乘法对数据进行圆拟合,为了提高轴线测量精度,在同一轴上拟合得到两个圆,以其圆心的连线作为旋转轴的轴线;过第一和第四轴轴线作一平面,利用轴线与该平面的交点或者平面上的轴线,确定作业机器人的连杆参数,由相应连杆参数计算作业机器人每轴的零位角.通过旋转加工直径为80mm的圆柱,验证了该方法的有效性.实验结果表明:未校正零位误差时,作业机器人加工的圆柱最大误差为2.42mm;而校正零位后,作业机器人加工的圆柱最大误差减小到0.16mm.为机器人本体几何参数与零位的解耦标定建立了基础,进一步提高了机器人加工精度.     

基于协作机器人的飞机总装驾驶方向盘操纵曲线测试

针对飞机总装测试过程中,人工从外部获得飞机驾驶操纵位移/力曲线难的问题,提出了一种采用协作机器人代替人工进行操作,并利用机器人自身关节上传感器测得其操纵曲线的方法.首先建立试验系统,描述了模拟方向盘装置的加载原理,并推导出其理论操纵曲线.然后通过建立机器人的D-H(Denavit-Hartenberg)模型解算出机器人各轴角度、力矩与末端位置、受力的关系,进而转化为方向盘的转角和所受力矩关系.接着建立机器人的阻抗控制模型解决了转动方向盘因为轨迹误差造成的憋死问题,并通过实验表明机器人能够顺从方向盘的既定轨迹完成了方向盘的回转运动.通过机器人转动方向盘实验做出的操纵曲线与内部传感器的曲线对比,误差在2％以内,说明了协作机器人代替人进行测试的可行性.     

具有柔性脊椎的四足机器人奔跑运动分析

为了提高四足机器人的奔跑性能,设计了一种具有柔性脊椎的四足机器人.该柔性脊椎由两个平行橡胶棒和一个驱动液压缸组成,通过控制驱动液压缸的伸缩可使两个平行橡胶棒实现上下弯曲.分析了该四足机器人的柔性脊椎对奔跑步长的影响.基于Hopf模型的CPG控制方法,推导了髋关节和膝关节的关节驱动曲线幅值的表达式,并通过网络拓扑结构的重建将脊椎驱动信号与各腿部关节驱动信号进行耦合.最后利用Adams和MATLAB/Simulink对四足机器人进行了bound步态仿真,仿真表明具有柔性脊椎的四足机器人奔跑性能显著提高.     

机器人做手术

德国麦魁特公司研制了一个医用机器人 ,其“手指”动作不仅灵活 ,而且异常准确——即使给鸡蛋剥壳 ,也不会损坏蛋壳下面的壳膜。这个机器人名叫嘉士伯。它能帮助外科医生修复病人的髋关节 ,让病人重新站起和行走。在开始手术之前 ,嘉士伯用三维 X射线检查病人关节的缺陷 ,然后根据植入关节的尺寸大小设计出手术的切口。经过它的精确计算和准确操作 ,关节的植入体正好承接在骨臼之中 ,如同一把钥匙插进其锁孔一样严密。植入体与骨臼的牢固结合 ,可以让病人在手术后的 2 4 h内重新站起和行走 ,病人的髋关节完全能承受身体的重量。机器人做手…     

近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟

为解决植入假体存在的松动和下沉等并发症,适应个性化内置假体快速自动设计和制造的要求,提出一种在定制型人工髋关节股骨内置假体设计过程中, 基于医用CT和CAD技术,利用有限元力学分析建立近端股骨各向异性力学模型的新方法.该方法利用CT原始图像数据、结合自主开发软件,使股骨三维模型具有原股骨的各向异性与非均匀性, 建立近端股骨接近真实股骨力学性能的三维有限元模型,为真实地模拟和分析近端股骨的结构和材料力学性能,更精确地测定股骨在生理载荷下的应力应变与植入假体后的响应,为定制型人工股骨假体设计提供了生物力学基础,实现人工股骨假体的优化设计创造了很好的条件.     

3-RRR并联机器人含间隙的运动学标定及误差补偿

机器人构件几何尺寸误差与关节间隙共同影响了机器人的定位准确度与精确度.文中基于考虑关节间隙的误差模型,使用运动学标定的方法对上述两误差源进行了识别,分析了关节间隙对重复定位中误差分布规律的影响.通过在逆运动学模型中补偿识别到的构件几何误差,以及将标定后的定位误差补偿到控制指令,提高了机构定位准确度;通过在控制中实时补偿关节间隙对定位误差的影响,提高了重复定位精确度.     

基于SolidWorks与Adams的焊接机器人动力学仿真

本文先用拉格朗日法对一款六自由度焊接机器人进行动力学分析,得出该机器人各个关节的峰值力矩理论值。并运用Solid Works建立了该款机器人的三维装配模型,将其导入到Adams后进行动力学仿真分析,在Adams中仿真出焊接机器人在不同工况下各个运动情况,得出各个关节处的力矩图。并将仿真出的峰值力矩与所求的理论峰值力矩对比,验证仿真数据的正确性。将仿真结果与该机器人各个驱动关节处电机经减速器减速后的输出力矩对比,验证电机选型的合理性。     

工业机器人绝对定位误差的建模与补偿

为了提高机器人的绝对定位精度,建立了机器人绝对定位误差模型并进行了补偿方法研究.将定位误差分为几何参数误差与柔度误差,分别建立相应的误差模型.几何参数误差研究以MD-H(修正型D-H)运动模型为基础,对柔度误差的影响进行了解耦,并考虑了机器人基坐标系与测量坐标系的转换误差,提出了基于相对位置的几何参数误差模型.柔度误差研究针对机器人的构造特点,建立了针对关节2和3的误差模型,简化了计算模型.最后基于所建立的两种误差模型,提出了误差补偿方法,并采用该方法对机器人进行了实际补偿实验.结果表明,平均绝对定位精度由补偿前的1.173 mm降至补偿后的0.158 mm,说明文中方法可有效提高机器人的绝对定位精度,扩展机器人的应用范围.     

基于单维拉线测量系统的码垛机器人定位误差分析及运动学标定

以四自由度码垛机器人为研究对象,基于单维拉线测量系统对该机器人的运动学标定方法进行了研究.采用环路增量法构造了码垛机器人平行四连杆的误差模型,并建立了带关节变量比例系数的运动学误差模型,从而对关节传动误差进行补偿.通过对影响机器人末端位置精度的几何误差参数进行敏感性分析,将几何误差源简化为11项,可有效提高辨识效率.结合单维拉线测量系统的特点,建立了末端运动误差与几何误差源的映射关系,进而提出了一种基于距离测量的参数辨识模型.通过计算机仿真和标定试验对该方法的有效性进行了验证.试验结果表明,标定后码垛机器人位置误差3?值由11.73,mm减小至1.79,mm,运动精度提升84.7%,.     

多关节机器人的自学习模糊全局滑模控制

针对模型不确定性多关节机器人的轨迹跟踪控制问题,研究多关节机器人全局滑模控制,为了削弱系统在滑动模态上的抖振,将模糊控制和全局滑模控制相结合,提出一种自学习模糊全局滑模控制方法.该方法利用模糊系统的输出代替全局滑模控制中的非连续开关切换量,并根据滑模变结构原理,设计自学习算法,动态调整模糊隶属函数的参数.通过对2关节机器人的仿真,结果表明在存在模型误差和外部扰动的情况下,该方法既能达到快速跟踪,又能很好地消除控制器的抖振.     

五自由度搬运机器人系统设计与运动学分析

设计了一种用于冲压生产线上下料操作的新型五自由度搬运机器人.首先,结合冲压生产线的应用需求设计了机器人的机械结构,并进一步构建了其控制系统;然后,对机器人运动学进行分析,建立机器人连杆坐标系,利用D-H法描述机器人正向运动学模型,并求解机器人逆运动学;最后,对机器人工作空间和运动精度进行描述,将工作空间分别投影到xy,xz,yz三个平面得到其具体参数,利用雅可比矩阵求解各关节最大容许误差,对机器人的参数设计和轨迹规划具有指导意义.     

仿象鼻气动连续体机器人的运动学建模与运动控制

为了解决连续体机器人运动学建模的难题并实现机器人的位姿控制,以自行研制的一种仿象鼻型气动连续体机器人为例,先忽略机器人自重和负载,做出连续体构节变形后其中心线上各部分曲率保持一致的假设,通过推导,得到了连续体构节变形参数(s、k、?)与构节长度(l₁、l₂、l₃)之间的关系表达式。将连续体构节离散为关节变量,参考D-H法建立了该机器人的运动学模型,设计了机器人的气动系统并对机器人进行运动数据采集。将实际采集数据代入上述模型中来确定模型参数,在一定程度上弥补了因忽略机器人自重和负载而产生的模型误差,提高了运动控制精度。机器人的抓取实验结果表明:按实际采集数据确定参数的常曲率运动模型,可以应用于连续体机器人的位姿控制;对比机器人末端的仿真计算轨迹和实际轨迹,得到最大运动误差为6.3 cm,误差主要来源于系统误差、模型误差和测量误差3个方面。研究工作对于同类型连续体机器人的实用化与位姿实时控制研究具有重要的参考价值。     

分块建模关节机器人的PI鲁棒滑模控制

为实现机器人关节位置镇定和轨迹跟踪控制,控制律的设计须针对确定的机器人动力学模型,由于机器人结构参数、作业环境的外界干扰及结构振动等不确定性因素的存在,会造成机器人动力学模型不确定.为此,设计3个RBF神经网络分别对不确定机器人模型中的3个不确定项进行分块建模,得到机器人估计模型,神经网络的权值采用自适应算法.针对机器人估计模型设计PI鲁棒滑模控制律.将所设计的控制器用于三关节机器人的三个关节的力矩控制,研究结果表明:三关节均约在1 s时达到期望位置和跟踪期望轨迹,镇定误差和跟踪误差也快速、稳定地趋于零.通过定义基于积分型的Lyapunov函数,利用Lyapunov稳定性理论证明了控制系统是全局渐近稳定的.     

采用混合算法优化神经网络滑模控制的机器人跟踪误差

为了避免机器人关节角位移受外界影响,提高运动轨迹的跟踪精度,采用混合算法优化神经网络滑模控制器,并对优化后的控制器进行仿真验证.建立机器人平面简图模型,利用拉格朗日定理推导出机器人关节运动方程式,采用神经网络算法构建RBF神经网络自适应滑模控制系统.为了增强控制系统的稳定性,削弱外界波形对机器人运动轨迹的干扰,利用粒子群算法和差分进化算法在线优化RBF神经网络滑模控制律参数,设计了改进RBF神经网络滑模可调参数的自适应控制律,保证机器人控制系统的稳定性.通过MATLAB软件进行仿真实验,并且与优化前机器人关节角位移输出误差形成对比.仿真结果显示：随着干扰波形幅度的增大,采用神经网络滑模控制器,机器人关节输出角位移误差逐渐增大,系统不稳定,而采用混合算法优化神经网络滑模控制器,系统反应速度较快,机器人关节输出角位移误差较小.机器人采用混合算法优化神经网络控制器,能够提高控制系统的抗干扰能力,稳定性较好、输出精度较高.     

基于惯性动作捕捉的主从遥操作关节空间直接控制方法

为了克服传统主从遥操作方法需要进行大量的正/逆运动学解算且操作复杂、不直观的缺点,利用惯性动作捕捉设备将人体手臂动作信息引入遥操作控制回路中,提出了一种基于惯性动作捕捉的主从遥操作关节空间直接控制方法.然后,提出了一种基于四元数的关节空间非奇异映射算法,用于构建虚拟手臂模型,并利用该模型直接控制远端机器人的关节空间.试验结果表明,该方法可以直接控制远端机器人的关节空间,关节空间控制误差小于0.2°;末端位置控制精度小于10 mm,与基于手控器的传统主从遥操作方法相当.因此,基于惯性动作捕捉的主从遥操作方法不仅可以对远端机器人末端位置进行精确控制,而且可以直接控制远端机器人的关节空间,提高操作者的直观性和灵活性.