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.     

基于变论域模糊比例积分微分控制的介入手术机器人系统研究

在微创介入手术中,保证主从端导管位移的同步性,可解决医生能够有效控制主端电机转速来实现力反馈,提高手术的安全性,避免给病人带来不必要的风险。对传统比例积分微分(proportion integration differentiation, PID)主从端力反馈控制加以优化,使用变论域模糊PID控制算法对主从端力反馈进行监控,调节伸缩因子来获取最合适的PID数值,能够保证主从端的同步性。把两种控制方法进行主从端位移同步实验比较得知,变论域控制算法下的平均误差和方差都小于传统PID,表明了该算法对主从端同步控制的优越性,验证了变论域控制方法的有效性和可行性。     

多移动机器人双边遥操作系统中反馈力信息设计与研究

为了研究在多移动机器人双边遥操作系统中反馈力对机器人运动性能的影响,设计了一种一对多的遥操作系统半物理仿真平台.同时基于主从端之间速度偏差与障碍物排斥力设计了2种不同的反馈力.在该双边遥操作系统中,主端操作员通过力反馈人机交互设备控制从端多机器人系统的平均速度,从端机器人系统能够响应主端操作员的命令,同时操作员可以借助反馈力感知从端多机器人系统的运动状态.半物理实验结果表明,相比于没有力反馈信息的遥操作系统,多机器人系统的运动性能得到了提高;相比基于障碍物排斥力设计的反馈力,基于主从端速度不匹配设计的反馈力,更有利于从端的多机器人系统避障、跟踪参考轨迹以及主端给出的参考速度.     

模糊-PID挖掘机器人主从控制系统开发

结合传统PID与模糊控制算法优点设计了基于模糊-PID算法的挖掘机器人工作装置主从同步控制系统.采用编码器测得从端各工作装置相对转角,根据转角误差大小确定采用模糊还是PID控制算法,从而实现主从端同步运动.实验证明:该主从端同步控制系统安全可靠,控制精度高,主从端同步性好.     

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。     

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.     

颅底及面侧深区穿刺诊疗机器人系统及实验研究

针对颅底及面侧深区穿刺诊疗手术在活检、放射性粒子植入、射频热凝等介入过程中的多样化需求,研发了一套多功能外科手术机器人系统.该系统可辅助医生完成放针、植入粒子等手术操作.根据不同的手术需求,设计了三款末端执行器,利用通用接口可实现末端执行器与机器人之间的快速安装与拆卸.提出基于光学导航的混合运动控制方法保证机器人系统的定位精度.通过实验验证了机器人的定位精度,并通过尸体实验验证了整个机器人系统在三种手术中的性能.结果表明,该机器人系统具有较高的定位精度,并可灵活应用于多种手术中,具有一定的可行性.     

基于改进蚁群算法的血管介入手术路径规划

血管介入手术难度大,操作要求精确.由于医生手术水平不一,通常选择粗大通径的血管进行手术,而不会考虑其他更优的路径.提出基于改进蚁群算法的血管介入手术路径规划方法,辅助外科医生术前路径规划.在综合考虑导管的直径,血管的长度、最小直径、最大曲率和最大挠率等因素的基础上,引入端结点因子,改进蚁群算法中的启发式函数和信息素更新机制,最终得到全局最优的规划路径.实验结果表明,术前路径规划合理,证明了算法的可靠性和方法的可行性.     

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.     

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着明显的差异,从而验证了所提出方法的有效性.     

混合型自重构机器人的结构设计及运动描述

设计了一种新型的混合型自重构模块化机器人.该机器人由多个相同的呈三棱柱状的主从式基本模块组成,每个主模块包括3个主驱动电动机及齿轮传动装置,每个从模块包括2个从驱动电动机及齿轮-齿条传动装置.根据齿轮、齿条不同运动速度,分析了该自重构机器人相邻2个基本模块中从模块的轴插入主模块的孔中完成对接动作的过程.基于基本模块的几何特征,描述了该自重构机器人的基本空间构型,最后仿真实现了该机器人从直线型变形为正六边形的过程.仿真结果表明,混合型自重构机器人基本模块结构设计紧凑,能对接和脱离,实现机器人的变形过程.     

交互式遥操作机器人实验平台设计及其应用

实验平台由主机械手、从机器人、远程视频监控和虚拟从手4个子系统组成,其中主手为自行研制的HC01异构式力反馈手控器,从手为日本安川公司的MOTOMANSV3X型6自由度工业机器人.在此平台上可以进行通信时延、遥操作工作模式、临场感技术、虚拟现实技术和交互技术等方面的研究.最后,以预见显示模式为例,进一步说明了实验平台的用途和用法.实验表明,在30 s大时延情况下,预见显示模式时主手可以成功控制从手完成物体的抓取、移动和放置等操作.     

Docking process on hybrid self-reconfigurable modular robots

A novel hybrid self-reconfigurable modular robot is designed to finish the morphing action from line shape to hexagon shape.The robot is composed of many basic modules,each of which consists of a master module and a slave module in the shape of triangular prism.There are four connection ports on each basic module.For the master module there are two holes on each connection port,and for the slave one there are two pegs on each connection.The docking process between two neighboring basic modules is analyzed with a peg-in-hole mechanical structure.A small motion' s method is presented and the contact forces are derived.According to the force/moment,the pose of a motion module should be adjusted to make two neighboring modules align and finish the docking process.Finally,a simulation of 3 basic modules is shown to finish the morphing and docking process effectively.The system can finish the morphing task from the line shape to the hexagon shape.     

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。     

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.     

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.     

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.     

力觉临场感系统的动力学建模及控制策略

由于对主从机器人系统中主从手的动力学控制可使操作者获得对操作物体的力觉临场感,增强其执行复杂遥操作任务的能力．基于该系统在笛卡尔空间的动力学模型,阐述了该系统的控制结构和控制策略．通过分析系统的动力学特性,表明了在不同控制策略下,主从手的动力学特性对操作者力感觉的影响．指出了力反射伺服型系统可以较有效地抑制系统内的动力学干扰     

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。