基于工作空间的主从式机器人比例系数分析

传统的主从同构式医疗机器人系统不能同时满足对主手操作舒适性和从手专用性的要求。主从异构式医疗机器人系统可以根据主手操作舒适性和从手专用性分别设计主手和从手,满足了对主手和从手的不同要求。主从比例系数是主从异构式机器人系统的一个重要参数。以“妙手”系统为研究对象,在确保主手和从手均满足显微血管缝合手术工作空间要求的基础上,通过对主手协同工作空间和从手协同工作空间分析,确定了主手与从手的比例系数。该系数保证系统能够顺利完成手术动作。     

新型机器人辅助微创手术系统分析

为解决现有机器人辅助微创手术系统的力反馈难题,在对开口手术、手工微创手术、机器人微创手术工作空间、自由度、运动映射关系等特性进行对比分析基础上,通过对现场医生和控制台医生的重新分工,提出一种新型的机器人辅助微创手术系统。针对该系统设计了一种新型丝传动微创手术机构。该机构采用对称式结构,通过丝传动实现对称位置机构的镜向运动映射、对称姿态机构的中心运动映射,从而实现微创手术工具手柄与末端执行器之间的一致运动映射。该机构不仅能够保证系统操作的直观性,而且可实现系统的力反馈功能。     

基于迭代算法的六自由度主从异构机器人的位置映射

现有基于运动学反变换法的六自由度主从异构机器人映射算法,存在超越函数和存在多解,导致映射算法设计复杂。为改善这一问题,设计了基于LabVIEW的六自由度主从机器人系统,并对主从映射算法和位置跟随误差进行研究。首先选择3-5RUU并联机构和FANUC多功能机器人分别作为主手和从手,并对主从手的构型进行分析;然后采用迭代算法建立系统的映射模型;其次,对从手跟随主手的位置误差进行研究;最后根据主从机器人的映射算法进行实验分析。建模过程与实验结果表明:所设计的映射算法简单有效,该系统可实现从手运动状况的提前验证与实时反馈。     

带电作业用非力反馈液压机械臂的设计

为了适应10kV配电线路带电作业的要求,研制了一种能够最大限度的满足现场作业环境要求的非力反馈液压机械臂.液压机械臂是可以进行远程遥控的、主从式7自由度液压机械臂,包括机械臂本体、主手、手持终端、主手控制器、液压伺服驱动器和液压供油系统.采用位置伺服控制方式,主从手是同型结构,从手可以完全跟随主手来运动,机械臂操作灵活、简单方便、持重大、自重小、性能稳定可靠.并在10kV配电线路上进行了试验,证明了所设计的体系结构的合理性和可行性.     

6-DOF主操作手构型设计与空间轨迹规划仿真研究

主操作手是微创外科手术机器人的关键组成部分,用于接收医生动作,并控制从操作手完成手术操作.在充分研究主操作手使用要求的基础上,分析了主操作手构型设计要求,完成了主操作手的构型设计.结合所设计主操作手的构型,应用Matlab Robotic Toolbox进行了空间运动轨迹规划仿真,得到主操作手关节位移、速度和加速度的变化曲线.结果表明,主操作手构型设计合理,运动平稳,为主操作手的进一步设计与优化奠定了理论基础.     

基于术中轨迹的微创手术机器人的主从映射比例评估

主从式手术机器人映射关系的设计与优化是提高术者操作效率,减少手术疲劳的关键步骤之一,过去通常依靠机器人搭建完成后基于实体手术平台进行评价,延长了研发周期。以微创手术机器人映射关系为研究对象,选择胆囊切除术作为采样标本,运用微型传感通过临床手术实际测量获得典型器械运动轨迹,综合分析得出手术安全域内运动范围,并运用人机工程分析平台DELMIA,采用我国国家标准人体测量数据为人体建模参数,建立国人典型人体运动模型,通过设定不同映射比例,基于反向运动学计算获得手术机器人环境下典型手术过程中术者姿势与上肢运动轨迹,应用RULA分析对不同映射比例下术者的双侧上肢的疲劳程度进行评估,从而获取特定映射关系下人机界面最佳的映射比例,为微创手术机器人针对人机界面优化的设计制造提出了新的评价方法,为缩短器械设计修改流程、加快器械开发速度提出了新的途径。     

混联机器人结构设计及优化

针对传统开放手术病人创伤大、微创手术医生易疲劳等现状,设计出一种基于混联结构的微创手术机器人。为满足微创手术的各种复杂动作,该机器人采用冗余8自由度结构提高其灵活性;结合球关节结构紧凑特点,所设计机器人采用串并联相结合的混联结构提高自身刚度,满足微创手术机器人高精度、小尺寸要求。依据所设计结构,在Matlab软件中对机器人的运动学、灵活工作空间等求解及仿真,论证了结构设计的合理性。     

腹腔微创手术机器人主从运动及力反馈控制

微创手术机器人一般采用主从式结构。主从操作手的力反馈技术是手术机器人研究重要的方向。基于运动学D-H模型采用位姿分离法实现了机械手逆运动快速求解。运用虚功原理的方法实现了对机械手力反馈控制。并且进行了动物软组织实验,为操作者提供临场力感觉,实现人对手术机器人的有效干预和控制。     

基于比例调压阀的气动力觉系统开发

开发出一种用于夹钳式主从机器手的气动力觉系统。该系统可使操作者在主从操作中具有夹持力觉临场感,避免破坏易碎的操作对象。详细介绍了机械气动结构、力矩传感器的设计、位置传感器的安装。设计了主手PID控制器,实现对主机器手的位移信号发送与力矩伺服控制。制作试验样机并搭建了试验平台。通过对系统动态特性的分析验证了系统方案的可行性。     

带电抢修机器人用力反馈液压机械臂的设计

为了适应10 kV配电线路带电作业的要求,研制了一种能够最大限度地满足现场作业环境要求的主从式力反馈液压机械臂系统,包括机械臂本体、力反馈主手、手持终端、主手控制器、液压伺服驱动器和液压供油系统.采用位置、力双向伺服控制方式,主从手是同型结构,能提高操作的灵活性、工作效率和安全性,避免对机械臂和周围环境的损害.在10 kV配电线路上进行试验,证明了所设计的体系结构的合理性.     

基于双目视觉的主从式机器人主手系统设计和研究

提出了一种基于双目视觉的主从式机器人主手系统,采用双目视觉技术实时识别并跟踪手柄的运动,同时测量其空间位姿。首先通过背景差分法检测出手柄,然后用卡尔曼滤波器对手柄的位置和速度进行预测,跟踪手柄的运动。在标记点的立体匹配中采用了特征匹配和区域灰度匹配相结合的方法,并引入唯一性和顺序一致性约束来剔除伪匹配,最终测罱出手柄的实时空间位姿信息。实验结果证明系统方案是可行的。     

微创外科手术机器人关键技术与研究现状综述

微创外科手术（MIS,Minimally Invasive Surgery）机器人技术是近年发展起来的一个新兴的研究领域,该领域集医学、工程等多学科知识为一体,具备很大的研究价值。文中通过对该研究领域一些相关文献进行研究,归纳了微创外科手术机器人技术的特点、发展历史与现状、关键技术以及研究热点分支。针对我国缺乏自主研发的微刨外科手术机器人系统,而国外同类产品价格昂贵的状况,研究自主知识产权的微创外科手术机器人系统对于我国医疗卫生水平的提高具有重要战略意义。     

A laboratory-level surgical robot system for minimal invasive surgery (MIS) total knee arthroplasty

Recently, commercially available computer-aided surgical robot systems have been introduced to enable surgeons to improve the accuracy of cutting and alignment in total knee arthroplasty (TKA). The minimal invasive surgery (MIS) in the TKA has been increased since MIS can improve the surgical outcomes such as the recovery time and hospital stay by reducing the incision in surgery. However, current surgical robot systems do not provide the MIS TKA capability. In this study, we developed a laboratory-level surgical robot system to cut the bone from the lateral direction of the knee joint to provide MIS TKA. TKA experiments with saw bones of femur were compared between the conventional approach and the MIS approach. The incision length for the working space of the cutting tool and bone cutting time were decreased in lateral direction bone cutting. In addition, the cutting surface was smoother and the ranges of motion of all six joints were decreased in lateral direction bone cutting. Moreover, the cutting accuracy in terms of the lengths and angles of five cutting planes in femur were smaller in lateral approach than those in conventional approach. Therefore, consideration of bone cutting from the lateral direction in robotic TKA surgery should be necessary to improve the surgical outcomes in knee arthroplasty. The developed surgical robot system could be a platform of various orthopedic robotic surgeries.     

基于虚拟环境的遥操作机器人主从交互系统设计

针对遥操作机器人系统中的时延问题,设计了一种基于虚拟环境的机器人遥操作主从交互系统.利用Java/Java3D进行分布式虚拟环境以及虚拟机器人的三维建模;通过JNI方法建立主手设备与虚拟环境的交互接口.操作者通过操纵主手而对虚拟机器人进行关节驱动,提高了主从控制的实时性.     

双电机消隙技术在串联机械臂中的仿真与应用

典型非线性齿隙广泛存在于机器人伺服系统中，为了减小齿隙对系统性能的影响，对串联机械臂采用双电机主从驱动消隙技术。首先基于双电机消隙系统的基本原理及结构建立了齿隙弹性死区非线性模型；然后根据双电机系统的动力学推导公式，建立了所采用的双电机偏置力矩消隙控制策略的Simulink模型，并给出了系统的算法框架及伺服系统硬件电路原理；最后根据实际工程设计参数数据进行原理仿真，并通过激光跟踪仪对采用双电机消隙技术的串联机械臂系统进行精度测试实验验证。仿真及实验结果表明：建立的数学模型能够反映实际系统的基本特性；工作空间为4.5 m的串联机械臂末端精度达到1.2 mm，满足工程应用性能指标要求。     

腹腔微创手术机器人主从实时控制算法

根据D-H法对腹腔微创手术机器人进行了运动学分析.针对基于运动学反变换法的机器人运动模型,存在超越函数和存在多解,影响主从响应速度的问题.基于微分的思想,将微小时间内位移代替瞬间速度,提出适合手术机器人的主从实时控制算法.通过增加反馈环节消除这种算法的累积误差,提高系统的运动精度.     

多自由度的危险作业机械臂结构及控制系统

机械臂结构设计以及多自由度的运动控制是危险作业机器人能否胜任作业任务的关键。针对特殊的作业任务要求,采用电液比例控制和直流伺服驱动相结合的关节驱动形式,分析了无线通信系统、基于双目立体视觉的遥操作主从分级控制系统、各关节的伺服控制及所采用的先进控制策略,提出了半自助、自主两种作业模式,并对其实现原理进行了较深入的剖析。最后,创建了机械臂的虚拟样机模型,进行了机械手工作域的仿真分析,结果表明能较好地满足设计要求。     

机械反馈式主从机械手控制系统研究

针对恶劣作业环境下传统主从机械手控制系统存在安全性和可靠性较差的问题,研制了一种以单轴工作台和精密压力调节器为主、气动定位装置为辅的机械反馈式主从机械手控制系统。首先,研究了该系统的工作原理并给出了一个工作示例;然后,设计了一种气动定位装置,并对其进行了详细建模;其次,制备了系统的原型实验装置,并单独对气动定位装置进行了阶跃响应实验;最后,对整体系统进行了阶跃响应、重复输入响应和手动单调增加输入响应等多方面特性分析,并将观测结果与仿真结果进行了比较。结果表明:该系统的各种响应结果与仿真结果吻合较好;该系统在气管长度为20 m左右时,阶跃响应的上升响应延迟在0.2 s以内,目标位移的误差约为2.2%;系统通过改变皮带轮齿数,可以任意缩放主机位移并传递给从机,十分适用于作业速度相对较低的应用场合。