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.     

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.     

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.     

基于遗传算法的插接管道焊缝扫查机器人能量最小轨迹优化

针对插接管道焊缝扫查机器人末端执行器连续轨迹规划必须满足的运动限制条件,建立了安装高度可调节的全局能量最小优化多目标组合模型,该模型综合考虑了机器人的避障、末端轨迹精度、动力学约束与冗余度能量最小优化问题.基于遗传算法给出了针对该能量最小优化模型的轨迹搜索方法.仿真结果验证了该方法的有效性,并可推广应用到其他类型机器人.     

基于MATLAB的五轴坡口切割机器人运动学分析与仿真

设计了一种新型的基于机器视觉的五轴坡口切割机器人,用于满足加工平面钢材的坡口切割作业.首先,建立了五轴坡口切割机器人的SOLIWWORKS模型,验证机器人机械本体的设计是否可以满足工作要求;其次,根据SOLIDWORKS模型建立机器人的DH参数表和DH坐标简图;然后,通过机器人的齐次变换对机器人进行正运动学和逆运动学分析,从数值角度对机器人的结构合理性进行分析;最后,利用MATLAB软件对机器人进行运动学建模与仿真.用MATLAB对机器人进行运动学仿真,主要分为对机器人进行静态模型仿真,机器人的末端操作器运动空间仿真和不同路径轨迹规划下的机器人末端操作器运动仿真.通过仿真模型证明了机器人机械结构设计的可行性,为机器人控制系统和控制算法的设计提供理论支持.     

基于补偿算法的机器人型材自动划线和切割系统

工业机器人以其高重复精度，适应于复杂工作间而广泛应用于工业自动化生产领域。针对船用型材手工划线和切割操作的现状，研制了船用型材机器人自动划线和切割系统，实现了机器人柔性自动化系统在船体建造中的应用，解决了型材的机器人自动划线和切割。同时针对变形型材，提出了基于型材边缘变形曲线的图形坐标补偿算法，实现了变形条件下型材的正确划线和切割。实验验证了该机器人柔性自动化系统的要行性和高效性。     

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.     

面向生物医学实验的微操作机器人

微操作机器人是将机器人技术的路径规划,运动控制和机器视觉与生物、医学实验中的微操作要求相结合,研制开发的新一代智能形生物实验显微操作设备。该系统可以应用于生物医学实验中,对微细生物体进行显微操作,如对生物细胞进行转基因显微注射,对染色体进行显微切割等操作。 微操作机器人可用于生物医学实验中,对生物体(生物细胞、胚胎、染色体等)实施微密集精度的操作。微操作机器人由以下部分组成:系统管理模块,显微视觉与图相处理模块、多轴运动规化模块和高精度运动控制模块。特点:①将机器人构造学、自动控制理论与生物医学中微操作的精度要求相结合,设计出的微操作机器人体系结构和运动控制系统,既能满足显微操作的各种精度要求,又能满足生物实验的较大运动范围的要求。与手动微操作仪器相比,提高了实验的准确性和可重复性,并能够对更微小的细胞进行显微操作。②通过系统的图相处理和特征识别,可自动定位操作工具的末端和被操作对象的空间位置,克服了显微平面图像缺少第三维位置信息的问题,并能自动引导微操作工具完成操作工程,这是本系统区别于其它任何微操作系统的本质特征。③操作人员根据显示的微显图像控制微操作机器人的运动     

驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型与实验分析

为获得驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的主要设计参数范围,采用超弹性应力-应变本构方程描述肠道的生物力学特性,推导了驻留-伸缩式胃肠道微型机器人的临界步距模型.针对伸缩机构,根据临界步距模型中的速度-阻力关系系数,设计了光滑外壁的单舱体机器人模型实验,采用不同直径的离体肠道进行测试;为获取驻留机构设计参数,采用足模型测试了同一直径下不同足伸出长度的驻留力.将获得的机器人参数返回到数学模型中,导出了若干机器人设计准则.最后采用机器人样机的离体实验,验证了临界步距模型的有效性.     

自主操作机器人末端执行器的行为动力学运动规划

在动态或人机合作装配场合中,基于规则而不是生物行为启示的现有操作机器人的运动规划方法,难于以自然的方式对工作空间内物体的运动进行描述,而行为动力学方法则能弥补这一缺点。本文在工作空间内,建立不考虑关节约束时的操作机器人末端执行器的行为动力学运动规划模型。首先,定义了操作机器人末端执行器位置运动的基本行为,通过竞争动力学协调得到位置运动的整体行为模型。然后,利用行为动力学方法设计了末端执行器姿态运动的行为。仿真实验结果表明:利用行为动力学方法可以实现操作机器人的静态及动态场景下的自主运动规划。     

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.     

基于单目视觉的Delta机器人零点标定方法

针对实际工程应用中少自由度高速抓放并联机器人的精度问题,提出了一种基于视觉测量的快速标定方法.以Delta机器人为例,通过系统分析和机构合理简化,建立了零点误差模型.构造出基于单目视觉平面测量的零点误差辨识模型,借助单目视觉仅检测机器人动平台沿水平面运动时末端x、y向的位置误差,识别出零点误差,进而修改零点位置实现末端位置误差补偿.标定实验结果表明该方法简单、有效、实用性强.     

人体下肢康复训练机器人及其造型设计

为帮助中风后的病人、下肢运动功能弱的老年人、事故或灾难造成的人体下肢运动障碍等的人群进行行走能力的恢复,设计了一种针对人体下肢运动功能恢复的康复训练机器人,解决了智能康复辅具的不足问题.该康复训练机器人由机构、控制系统和安全系统构成,并集成了多种传感器,可实时伴随训练人士,通过人机交互系统实现自动向前、左右转弯和防摔倒等功能.实验表明该系统操作简单,可靠性高.开发了两代下肢康复训练机器人,第一代康复训练机器人已在医院得到了初步应用.对文中讨论的第二代康复训练机器人在造型和局部功能方面进行改进,给出了康复训练机器人的造型设计方案.      

基于力和视觉的未知平面内机械手伺服控制

研究机械手对未知平面内直线和圆形轨迹的跟踪方法,在跟踪过程中,保持末端执行器与未知平面之间接触力恒定.该控制系统采用视觉和力的双闭环控制结构,利用双目立体视觉系统实现对未知平面法线方向的估计,实现对水平面内运动分量的视觉伺服控制;应用力传感器感知末端执行器与未知平面之间的接触力,实现对末端执行器在垂直方向运动分量的控制.应用MATLAB机器人工具箱进行仿真实验,验证控制策略的有效性.     

小型智能家居机器人的设计与实现

为实现低配机器人完成较高智能的服务, 设计并实现了一款小型智能家居机器人。 该机器人能高效、 自 主地建立环境地图, 规划出最优路径到达目标点, 从目标点取物后沿原路返回。 机器人通过红外低配传感器感 知未知环境, 并建立栅格地图; 通过宽度优先搜索规划出两点间的最优路径。 采用北京博创的“创意之星冶模 块化机器人平台设计并搭建了一款具有抓取功能的轮式机器人, 将提出的算法在机器人上进行了实现。 实验 表明, 提出的算法可在低配机器人上实现并完成指定的功能, 该机器人适用于家居环境, 能辅助老年人完成一 定的取物操作, 对机器人的发展起到了积极的推动作用。     

机器人手臂控制系统的设计与研究

机器人在工业上已经取得了非常大的进步,尤其是视觉传感器的应用对于机器人的智能化有很大的帮助。基于DMC5480运动控制卡,通过视觉处理系统实现了RS232串行通信,设计了一套可识别机器人手臂的精准定位系统,详细研究了控制系统硬件,规划了控制系统控制策略,编写了上位机操作软件。最后设计了一套带视觉识别的象棋机器人手臂。实验结果表明,机器人手臂可以代替人手功能在工作区域内沿任意轨迹运动。     

采摘机器人切割式末端执行器设计与分析

针对苹果采摘劳动强度大、采摘效率低的问题。根据苹果的物理特性,设计一种结构简单、无需夹持苹果的采摘机器人切割式末端执行器,包括本体、切割机构和传动机构。一次完整切割时间t≤1 s,刀片连杆摆动角度θ=55°。电机提供的动力通过传动机构传递到切割机构的刀片上,刀片对果柄切割。计算各齿轮的转矩,得到电机扭矩要大于等于2 047.5 N·mm,并得到电机转速要大于等于48.9 r/min。运用ADAMS软件对切割机构和传动机构进行运动仿真。仿真结果表明切割机构能够实现对果柄的切割,转速和切割时间符合设计要求。末端执行器的设计和分析对苹果和其他水果采摘机构的研究和设计提供了参考和依据。     

一种新型SCARA机器人运动学分析及仿真

针对传统SCARA机器人末端操作的局限性问题,设计了一种新型SCARA机器人,通过改进SCARA机器人末端结构来增强传统机构的灵巧性。应用旋量理论建立了运动学模型,并进行了正运动学求解,得到各关节运动与末端位置的关系。根据杆长条件和关节运动范围,求解了机器人的工作空间。最后,应用ADAMS建立虚拟样机模型,探究该新型机构在特定运动区域内的工作路径,并将其可达空间与传统SCARA机器人对比,证明了该机器人可增强传统机构的灵巧性,并求得精细操作范围。该机器人可解决多角度操作问题,为工业生产中的复杂作业提供参考。     

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.