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...     

胸腹腔外科手术机器人工作空间求取方法

探讨了作者设计的可用于微创胸腹腔外科手术的双臂机器人结构,分析了机器人双臂协同工作的原始工作空间。针对原始工作空间的位姿、形状、体积不易确定的缺点,提出了重新定义的旋转体形状的新工作空间和求取其位姿、形状、体积的方法,克服了原始工作空间不易确定而导致术前规划困难的缺点。计算实例表明该方法有效可行,应用该方法可在术前规划中快速定位实际手术区域,为应用该机器人进行微创胸腹腔手术仿真和实际手术奠定了基础。     

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.     

地震多功能辅助救援机器人运动学规划

基于D-H表示法的机器人双工作臂的运动学规划,建立了机械手臂运动能力与各影响因素关系的数学模型(即机器人机械手臂空间运动方程式),归纳出了机器人机械手臂空间运动与各影响因素关系的定量描述,提出了机器人机械手臂空间运动的设计理论和提高驱动能力的方法;建立了较完备的机器人行走机构和机械手臂运动系统的运动协调性和机器人自适应控制理论.通过运动学规划,使机器人能够更好地适用于各种地质条件、各种复杂的环境、各种需要高难度的工作强度,能够取得良好的使用效果.     

手术机器人术前运动性能分析及位置规划

针对颅颌面手术特点,根据D-H方法,建立了机器人的运动模型,由运动学逆解和关节限制建立位置规划的约束条件,以最大距离准则(MXDC)确定优化目标函数,提出了一种术前手术机器人的机械臂基座位置规划方法。     

水切割机器人路径规划方法

以汽车内饰件切割路径优化为研究对象,提出了一种改进禁忌表蚁群算法,实现优化排序.根据水切割过程特点和工艺要求,进行了水切割路径规划问题分析与建模,设计了改进的禁忌表,利用分层思想将禁忌表划分为3段:内部小环段、内部大环段和外部轮廓段,各段的优先级依次降低,并确定了与此相应的禁忌表的更新规则.在此基础上,给出了基于改进禁忌表蚁群算法的水切割路径优化排序方法,对轮廓切割顺序和各轮廓起始点选择同时进行优化.仿真与实验结果表明,改进禁忌表蚁群算法是可行、有效的,可大大缩短水切割机器人的示教编程时间,显著提高水切割作业的效率和质量.     

笛卡儿空间机器人轨迹规划方法

提出了笛卡儿空间机器人连续路径(CP)轨迹规划方法,移动轨迹在笛卡儿坐标系中由1组参数方程说明.时间间隔[0,T]分为m段,在每个时间段,多项式的系数可以用递归的形式求出.     

计算机辅助外科手术中被动多眼定位方法

多眼定位方法利用多个摄像机之间，多个目标特征点之间的冗余信息来提高目标的定位精度，利用手术区域的特殊标记作为标准参考点建立世界坐标系，有效地简化了繁锁的摄像机标定过程，仿真和实验结果吻合，实测精度优于1mm，该方法不仅对精确，灵活，可靠地执行计算机辅助医学干预具有重要的作用，而且对放射治疗，工业机器人，虚拟现实技术和导航系统的研究具有重要意义。     

自重构机器人辅助自重构规划策略研究

针对仅仅依靠初始构形组成模块间的相互协调运动无法完成自重构任务这一情况,结合DL-Cube(Double L Cube)自重构机器人单元模型的结构特性,设计构建了风车形子单元,该子单元具有移动、转变模块方位、携带模块等能力.提出了基于公共拓扑的自重构规划策略,即在进行自重构之前利用分级优化机制搜索出初始构形与目标构形之间的最大公共拓扑,然后以此公共拓扑为目标构形的生长中心,同时,借助于风车形子单元移动、转变模块方位及携带模块的能力,最终实现目标构形的重构.利用仿真实验验证了上述理论的有效性和可行性.     

机器人路径规划方法——突出点法

给出在二维环境中路径规划的一个新方法——突出点法.此方法可有效地求解障碍物为凸多边形或凹、凸多边形并存环境中的无碰、局部最优路径规划问题。     

电力线巡检飞行机器人路径规划方法

提出了一种基于改进概率地图法的电力线巡检飞行机器人路径规划方法.首先,在分析概率地图法不足的基础上,利用分支游动原理改进的概率地图,使得概率地图更加完整,减少了碰撞检测的次数,提高了算法的执行效率,有利于路径搜索.其次,将改进的概率地图方法应用于电力线巡检飞行机器人的路径规划中,能够在复杂的环境中找到一条可行的、安全的电力线巡检路径.最后,将路径规划方法与具体电力线巡检任务整合在一起进行仿真实验,仿真结果验证了所提出的路径规划方法的正确性和有效性.     

一种新的机器人轨迹规划方法

本文针对机器人最小时间轨迹规划问题提出了一种二次规划的优化方法，根据轨迹作预规划，在经基础上用机器人关节速度及驱动务矩的约束条件作修正规划，得到了最小时间轨迹的优化解。该规划方法简单实用，对跟踪路径无特殊要求。     

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。     

CT导航下的机器人辅助穿刺定位方法

针对机器人辅助穿刺中病灶定位系统价格昂贵、穿刺针全向定位机构结构复杂等问题,分别提出了CT导航下病灶定位方法和穿刺针全向定位方法。基于坐标变换理论,病灶定位方法由3个不共线标记点在CT和机器人坐标系的坐标数据辨识出2个坐标系之间的位置关系,然后由CT下的病灶坐标实现病灶在机器人下的定位。全向定位方法结合病灶的定位结果和机器人运动学,通过软件控制实现穿刺针在调整自身姿态时仍始终指向所定位病灶位置,为病灶穿刺提供安全的进针点和入刺角度。搭建含UR机械臂的6-DOF辅助穿刺系统,并在CT导航下对患者模型进行病灶和穿刺针的定位实验,实验结果表明:病灶定位误差在3 mm以内,与基于5个标记点的最小二乘病灶定位法精度相当,但定位效率提高约40%,其中病灶定位方法计算误差为1.43 mm,证明利用软件代替复杂机构的穿刺针全向定位方法是可行的。本文建立的病灶及穿刺针定位方法有效、准确,可为后续病灶自主定位和穿刺针路径规划提供理论基础。     

穿戴式步行辅助机器人控制方法研究进展

随着中国人口老龄化进程的飞速演变,老年人群体利用机器人技术进行日常步行活动的需求日益增大。穿戴式步行辅助机器人根据用户体能进行主/从运动辅助(据需辅助)的功能特性与人们的生理需求相匹配,对改善机械系统的柔性、亲和力及友好感具有促进作用。针对步行运动的据需辅助问题,以实现主/从柔性辅助为目标,提出并构建一种髋关节中枢模式发生器(CPG)控制和膝关节分级阻抗控制相结合的新型Hybrid控制方法,研究主/从辅助模式决策及柔性转换机制、膝关节分级阻抗控制切换及其稳定性、以及Hybrid控制理论的据需辅助效应,为穿戴式步行辅助机器人技术的研究与发展提供新的思路。     

基于功能块的计算机辅助工艺规划方法

为了使工艺规划柔性地适应制造资源的变化,将IEC61499标准定义的功能块(functionblock)应用到计算机辅助工艺规划方法中.把制造特征的制造信息、加工方法和控制信息封装在功能块中.建立了基于功能块的计算机辅助工艺的体系结构,给出了制造特征的形状、精度、材料等信息与基本功能块输入变量的映射方法,以及制造特征粗、精加工、监控过程与功能块方法的映射过程,详细阐述了执行控制图的执行过程.定义了制造功能组和组件功能块的概念,提出了制造特征分组的3个原则,介绍了复合功能块的生成步骤和执行过程.最后,以零件实例验证,零件中提取出14个制造特征,划分为4个特征制造组并映射为4个复合功能块,工艺规划结果以与/或图的形式给出.     

仿人机器人自适应步态规划方法研究

建立了仿人机器人关节转角与ZMP点之间的函数关系式 ,分析了实际ZMP点的计算过程 ,构造了一个具有学习功能的自适应步态规划参数修正框架 ,该框架能够通过学习满足仿人机器人行走过程中的实际ZMP点与理论ZMP点完全吻合 ,从而实现仿人机器人的稳定快速行走 ,降低了仿真计算结果与实际行走间的不一致性 .     

个体机器人局部路径规划的人工力矩方法

针对个体机器人的局部路径规划问题,定义了最优路径代表点、危墙代表点等概念,以优化路径和避障.设计了吸引矩、排斥矩两种人工力矩函数,其中吸引矩常使机器人的基本运动方向线(PMDline)指向最优路径代表点而排斥矩则总使机器人的PMDline背向相应的危墙代表点.基于两种人工力矩,设计了机器人运动控制器.在机器人通向目标的路径被障碍阻断时,该控制器总使机器人沿其PMDline以最大步幅运动,所以无论环境多复杂,机器人也不会停止运动,即不会被陷住.还给出了最优路径代表点的求解算法、局部路径规划的一般步骤及一个仿真.仿真结果表明,给出的方法是可行且有效的.     

关节型机器人高承载轨迹规划方法

针对机器人在工作过程中存在关节载荷较大等问题,以饰面作业机器人（以下简称Hebut-KB机器人）为研究对象,提出一种面向大载荷施工作业环境下机器人驱动承载能力最优的轨迹规划方法。首先,对Hebut-KB机器人运动学及简化刚体动力学进行分析,使用多目标遗传算法（NSGA-II）求出在满足运动学与动力学约束条件下的多组优化解,然后建立起关节型机器人驱动承载能力的评价指标,最后通过驱动承载能力评价指标选取出潜在最优解。仿真和实验表明,使用驱动承载能力评价函数选取出的解可以达到综合最优效果,有效的提升了机器人的承载能力。