基于灵巧度的手术机械臂尺寸与结构优化

为了通过优化机械臂的尺寸来提高其运动性能,提出了一种基于运动学综合性能指标的机构尺寸和结构的优化方法。通过分析手术机械臂运动学雅可比矩阵奇异值,建立了全域空间条件数均值与全域空间条件数波动值的综合灵巧度指标,对远心点调整机构的尺寸进行了优化。基于对关节结构的有限元分析,优化其结构,实现了机械臂的轻量化设计。优化结果显示:优化后机械臂远心点的工作空间仍满足手术操作的需求,综合灵巧度指标提高了14.8%,被动关节质量减少了21.9%,一阶固有频率和最大应力指标也都有所提高。优化结果很好地满足了微创手术对机械臂灵活性及轻量化的要求。     

面向微创外科手术机械臂的主动力摆位控制策略

为了实现微创外科手术机器人的主动手术姿态调整,针对微创手术机械臂的RCM机构特点以及主被动关节相结合的摆位方式,本文提出了基于关节力矩的虚拟工具控制算法以实现操作者与手术机械臂之间的力交互过程。该算法以在关节处安装力矩传感器的方式进行交互力的采集,并结合采样数据提出了一套完整的重力矩补偿方法。根据关节处的受力情况,力控制模型能够实时调整模型参数以响应主动力摆位不同阶段的动态要求。在自行研制的微创外科手术机器人样机上进行相关的实验验证,实验结果表明:各关节的重力矩补偿模型效果明显,基于关节力矩的虚拟工具模型能够实现柔顺自然的人机交互过程,并具有较高的可控性和稳定性,可以较好地完成微创外科手术机械臂的手术位姿调整。     

桌面型机械臂结构设计与分析

设计一种四自由度桌面型机械臂,利用UG软件对机械臂的结构建立三维模型,通过运动仿真对机械臂关键部件进行干涉分析,对干涉部分进行优化,然后利用动力学仿真分析机械臂各构件的载荷情况,结合运动仿真结果对机械臂各构件进行有限元分析,根据后处理的结果对机械臂的关键构件进行优化处理。     

床椅分离式多功能护理床的抬背机构设计及其仿真

设计了一种床椅分离式多功能护理床的抬背机构并对其仿真分析。基于可分离式护理床所需功能及整体布局要求,选择合适的抬背机构方案,运用SOLIDWORKS软件建立起了机构的模型。运用机械原理知识对机构进行了运动计算,选择了合适的驱动方式,采用MATLAB软件编程对机构的运动进行了仿真,仿真结果基本达到了预期的设计要求,验证了该机构设计方案的可行性。     

Arduino环境下冗余度机械臂E47算法的实现

针对目前机械臂运动规划与控制系统成本较高,机器人技术难以普及等问题,选择8位单片机实现机械臂运动规划算法;为提高机械臂执行任务的实时性,提出了一种基于Simulink的机械臂运动规划硬件实现模型.首先,对机械臂进行运动学分析,建立数学模型;其次,将机械臂的运动规划问题转化成二次规划问题,同时引入误差补偿函数以减小机械臂...     

可满足微创手术灵活工作空间的混联机器人研究

针对微创手术对机器人提出的高灵活性要求,设计出一种具有混联结构的微创外科手术机器人,并通过灵活工作空间分析进行结构优化。为合理布置手术切口及规划手术路径,利用末端手术工具服务球和服务区进行工作空间灵活性分析,通过数值解得到混联机器人工作空间内任意点的灵活度,并绘制出工作空间水平截面灵活性分布图,为手术切口位置和工具杆末端运动路径提供工作数据;再以工作空间水平截面灵活度大于0.85的灵活点数目作为评价指标,定量分析了姿态机构腕关节转角范围及手术工具杆长度对灵活性的影响,为微创外科混联机器人的结构优化提供了计算依据。仿真对比和优化后的实物实际运动结果均证明了该混联机器人可满足微创手术的灵活性要求。     

主从式微创手术机器人主手结构设计及运动学分析

为提高微创手术中从手端的执行精度和控制端力觉临场感的真实程度,利用反求设计方法设计了一种串联6+1自由度主手机械结构。根据变异设计方法,基于大、小臂内部闭环传动钢丝存在中心距过大的情形,采用刚柔结合传动结构,并对其进行理论推导和参数化分析;构建主手正运动学模型,运用Matlab和ADAMS进行联合仿真;并通过蒙特卡洛方法对主手实际运动空间与要求工作空间的三维对比云图进行仿真。结果表明:与纯钢丝传动结构相比,在给定8 N预紧力情形下,刚柔结合传动结构在传动行程内减小传动空回误差0.056 mm;由Matlab和ADAMS得到的主手运动轨迹基本重合,说明所构建的正运动模型正确,主手结构设计合理;主手运动空间完全满足微创手术的工作空间要求(准150 mm×250 mm)。     

间隔织物立体织机电子开口机构优化设计及动力学仿真

针对间隔织物立体织机现有开口机构不能完全满足大间距间隔织物组织结构变换频繁、开口动程大、提综力大的要求，设计了一套伺服电机开口机构；建立了电子开口机构驱动臂转角与综框位移的数学模型，在Matlab中对摆动臂的压力角进行对比仿真，选出最优摆动臂角度；在Adams中建立三维模型并进行仿真分析，得出综框运动曲线；利用ANSYS Workbench软件对关键部件摆动臂的刚度及强度进行有限元分析，运用响应面法对其进行多参数优化，建立电子开口机构刚柔耦合动力学模型并进行仿真。结果表明：优化后摆动臂变形减少30.3%，质量增加了3.85%，开口过程中摆动臂受到载荷发生变形，综框实际位移为78.05 mm。该机构满足大间距间隔织物组织结构变换频繁、开口动程大、提综力大的要求。     

冗余复合构型微创手术机器人定位方法研究

根据冗余复合构型微创手术机器人兼具冗余关节和被动关节的特点,提出了一种针对此类复杂多自由度机器人的定位方法。首先分析了机器人构型特点,然后利用D-H法建立了机器人运动学方程,并结合临床实际,确定冗余关节角,将运动方程进行退化,得到合理的运动学逆解和定位角。利用微型磁定位传感器进行被动关节臂实时位形测定,开发出机械臂定位界面,提示操作者进行定位和臂形设置。实验结果表明,定位方法可行,可视化效果好,适于临床操作。     

绝缘子清洁机械臂的设计与仿真

针对当前铁路线路上绝缘子清洁难以做到自动化的问题,设计了适用于瓷瓶绝缘子清洁的机械臂,阐述了机械臂的特点和实现瓷瓶绝缘子清洁的工作过程。利用Solid Works软件的绘图及设计功能,对机械的各个零件进行三维建模、装配并用ADAMS/VIEW软件对机械臂的运动进行仿真,获得机械臂中的水平臂末端法兰沿着X、Y、Z方向的运动轨迹,为机械臂的进一步优化设计提供了一定依据。     

微创外科手术机器人技术研究进展

为实现外科手术的微创化、精确化、智能化、远程化,将机器人技术与微创外科手术相结合,在综述国内外微创外科手术机器人研究现状的基础上,重点论述和分析从操作手设计、控制结构与控制方法,对力反馈主手、手术器械及力感知、增强现实、半自主手术、手术训练系统等关键技术进行了介绍和分析.基于上述技术研发的微创外科手术机器人改善了医生进行微创手术的环境和工具,提高了外科手术的质量,具有广泛的应用和发展前景.对微创外科手术机器人技术的发展趋势进行了展望.     

内窥镜操作机器人灵活性分析及仿真验证

在微创手术中为了使内窥镜的姿态满足外科手术的需求,借助于服务球、服务点、服务区的概念给出机器人灵活度空间的分布.根据七自由度内窥镜操作机器人结构特点,采用位姿分解方式求得位置运动学解析逆解.针对微创胸腹腔手术的临床需求,分析了该机器人的灵活性,提出了内窥镜操作机器人灵活度空间分布的分析方法,并通过数值方法对工作空间内任意点仿真得到机器人灵活度的空间分布.对机器人逆解和灵活度分布进行仿真验证,证明该方法的正确性,表明内窥镜操作机器人的灵活度满足实际的手术需求.掌握运动学和灵活度空间分布,为后续机器人控制方法的实现和术前的路径规划提供了必要的理论依据.     

基于多目标结构参数优化的微创手术机器人设计

为提高手术机器人的通用性,根据不同微创手术工作空间要求和操作要求设计了一种具有8自由度的通用性微创手术机器人,构造了包含运动学和动力学特性的多目标优化函数,利用遗传算法对含有运动学和动力学的双响应指标进行优化获得了具有较高灵活度的结构参数,为后续结构设计提供了良好的理论基础。     

一种位姿解耦的主操作手结构设计与优化方法

为提高医生对微创手术机器人主操作手进行操作时的一致性和灵活性,设计一种8关节串联型力反馈主操作手。从位姿解耦角度出发,通过一种双平行四边形结构实现位姿解耦,提高了主操作手在不同位姿下操作的一致性。利用改进后的D-H参数法和逆变换法,分别建立主操作手的正运动学和逆运动学模型,并从运动学角度验证了该位姿解耦策略的正确性。基于蒙特卡洛法,使用MATLAB编程,分析主操作手的最小工作空间。求解主操作手的雅可比矩阵,基于全域性能指标和全域性能波动指标定义了主操作手的综合运动性能指标,并以最小工作空间作为约束,用遗传算法对主操作手的运动性能和结构尺寸进行了分析与优化。结果表明:相比于优化前的初始设计,优化后主操作手的综合运动性能指标提高了15.32%,尤其是具备良好运动性能的工作空间体积增加到原来的3倍,已基本包含手术要求工作区域。主操作手在保证操作一致性和足够工作空间的基础上,具备了良好且稳定的运动性能。     

胶印机递纸机构运动规律反求设计

针对递纸机构在高速运转下的运动稳定性问题,根据某高速定心下摆式递纸机构图纸上凸轮轮廓的检测数据,完成了共轭凸轮机构从动件运动规律的反求分析,根据分析结果得出正向设计共轭凸轮机构从动件运动规律的工艺要求,应用五次多项式模拟递纸牙运动规律,设计出了满足递纸机构工艺条件的驱动凸轮轮廓线。     

Hand-Held Surgical Instrument with the Function of Self-Locking for Minimally Invasive Surgery

In order to improve the flexibility of the surgical instruments, a wire-driven wrist-like structure is proposed in this paper. The instrument has three degrees of freedom (DOFs) of rotation, yaw, opening and closing. Furthermore, we also acknowledge no coupling motion for each DOF. Moreover, the self-locking motion contributes to sustaining joint posture under external force. A static analysis for the end effector was conducted using the ANSYS software. At the end of this paper, a series of experiments for the prototype was performed. The results revealed that for the same surgical task, the proposed instrument had higher flexibility and the completion time of the operation tasks was obviously less than that of the traditional instrument. The results of the self-locking and operating force test showed that the surgical instruments perform well in maintaining joint posture under the force of 8.2N. The proposed surgical instrument meets the requirements of minimally invasive surgery (MIS).     

血管介入手术中的柔性虚拟力触觉系统研究

随着微创手术的发展,虚拟手术的应用前景越来越广阔.力反馈作为虚拟手术的核心技术,其实现的效果直接影响了虚拟手术的沉浸感.通过对经典包围盒碰撞检测算法进行研究比对,选择了球包围盒的碰撞检测算法,并建立了精确的反馈力计算模型,实现了介入血管中的柔性碰撞仿真.该仿真具有很高的实时性和精度.     

一种全向滚动球形机器人的运动分析与轨迹规划

设计了一种全向滚动球形机器人的内驱动机构,4台直线电机分别在4个空间对称的轮辐上径向移动,改变系统重心位置,驱动球形机器人在平面上全向滚动.基于球体纯滚动的非完整约束和步进直线电机运动的离散特性,建立了球形机器人的运动模型,给出了控制其运动的二阶微分方程组,进而提出了该球形机器人的轨迹规划算法.结合实例进行了运动分析和轨迹规划仿真,表明这种运动分析模型是正确的,并且简化了球形机器人的驱动装置,降低了能耗.     

Low-loss light propagation in the chain of microcavities

According to the focusing property of the photonic nanojet, the coupling characteristics for the chain of microcavities have been studied. Low-loss light propagation in the chain of microcavities is proposed. The influence of different wavelengths on the intensity of the photonic nanojet and the location of the focal spot are given. Intensity distribution and transmission characteristics for the chain of coupled spherical microcavities are analysed. Simulation results and theoretical analysis show that the chain of spherical microcavities has a highly focused beam and low-loss characteristics because of the focusing effect and backscattering enhancement of the photonic nanojet. A low-loss waveguide can be designed by using these properties of the chain of spherical microcavities. Sub-wavelength focusing of the beam, high optical throughput, and broad spectral transmission properties make the chains of microspheres able to be used in a variety of biomedical applications including minimally invasive and ultraprecise laser surgery.