医疗机器人技术发展综述

医疗机器人在过去几十年获得了飞速发展,根据医疗机器人的功能和用途将医疗机器人分为:神经外科机器人、骨科机器人、腹腔镜机器人、血管介入机器人、假肢外骨骼机器人、辅助康复机器人和胶囊机器人。分别对当前已经商用化的代表性的医疗机器人做了介绍,对其功能、主要技术指标、优缺点做出对比和描述。探讨医疗机器人当前主要的前沿研究问题,对医疗机器人关键技术和难点问题做出分析和讨论,对医疗机器人未来的发展方向和机遇做了展望。     

肠道驻留机构的设计和实验

研究并设计了一种微型肠道驻留机构以实现胃肠道机器人在人体肠道特殊环境下的有效驻留。该驻留机构采用径向伸出三组腿的方式实现扩张,扩张后三组腿仍然处于封闭状态,从而有效降低了肠道组织被夹住的风险。对驻留机构与肠道之间的相互作用进行了建模分析,并将驻留机构的驻留力分为库伦摩擦力和边缘阻力两部分,分析了其产生机理。通过实验测试了驻留机构的扩张力以及驻留力。实验结果表明:驻留机构的扩张力与理论分析较为接近,驻留力大小与肠道直径、驻留腿扩张直径以及驻留机构速度有关。当驻留腿的扩张直径为20~26mm时,驻留力大小为0.15~0.4N;当驻留腿扩张直径大于26mm时,驻留力迅速增加,为0.5~1.8N。设计的肠道驻留机构体积小、安全,可较好地适应肠道的生理环境,并为肠道诊疗微型机器人驻留机构的设计提供了一种新的思路。     

高速平面并联机器人动态分析与实验

基于弹性动力学和实验对高速轻型平面并联机器人的动态响应进行研究。首先,根据机构的几何和惯性非线性建立机构运动微分方程组,对机构的两个典型位形的动态响应进行分析;其次,建立了由3-RRR轻型并联机构和控制系统组成的实验装置,对理论分析进行了验证。结果表明,在位形2,理论分析和实验一致,即机构的残余振动很快衰减;在位形1,理论分析与实验两者不同,实验测量的动态响应为自激振动,而数值仿真得到衰减的残余振动。同时,结果也表明机构在不同位形有不同的动态响应。     

关节式爬管机器人夹紧机构的优化研究

针对实现关节式爬管机器人夹紧机构的结构最优化的问题,应用三维造型软件SolidWorks建立了爬管机器人的虚拟样机,运用动力学分析软件ADAMS对该机器人的夹紧机构进行了运动仿真,通过ADAMS虚拟样机技术,检测了滚轮与管道的接触情况,优化了各个结构件的尺寸,完成了夹紧机构的优化设计,给出了夹紧机构动作的仿真曲线和优化路径曲线,得到了最优的数据结果。研究结果表明,当杆7所受的推力为65.041N时,该机器人能够稳定地运动,从而能够对电动机参数进行准确地选取,可为后期的实物验证打好基础。     

一种直线插补算法及其在机器人中的应用研究

针对基于PLC控制器的机器人实现直线插补的问题,对在降低控制器硬件配置和性能要求的条件下实现机器人直线插补的方法进行了研究,提出了一种基于等时间间隔的直线插补算法,即等时间周期法。该算法可以通过改变插补周期调整插补精度,从而改变插补算法所需的控制器运行速度和数据存储空间。在自主研发的四关节冲床上下料机器人上,采用松下FP-X型PLC作为控制器,对提出的插补算法进行了实验和验证,对插补误差进行了定性和定量分析。研究结果表明,所提出的插补算法完全能够在无插补指令的PLC上运行,并满足直线插补精度的要求,这对降低机器人的开发成本具有重要意义。     

非连续路段下移动机器人的轨迹跟踪

针对轮式移动机器人在非连续路段下的轨迹跟踪问题,对移动机器人数学模型和道路模型的建立、轨迹信息的获取以及控制器的设计进行了研究。首先分析了移动机器人的运动学方程及对摄像机的标定,通过建立移动机器人的直线轨迹跟踪模型,并用二值化方法对非连续路段进行了图像处理,提取了图像中非连续路段信息,实现了移动机器人在轨迹跟踪过程中运动的可靠性;然后基于Lyapunov函数设计了渐进稳定的轨迹跟踪控制器,使移动机器人能够在连续路段和非连续路段跟踪确定路径;最后通过Matlab进行了仿真。仿真结果表明,所设计的控制器和算法能使移动机器人的跟踪误差快速收敛于零,轨迹跟踪效果良好,适用于移动机器人对非连续路段的轨迹跟踪控制。     

工业机器人用减速器轴承的开发与应用

阐述了工业机器人用减速器的现状,分析了RV减速器、谐波减速器以及摆线针轮减速器的不同特点,指出了机器人用减速器轴承的性能要求,并分类介绍机器人减速器轴承的种类及特点。     

柔性气动连续体机器人关节结构设计与运动学分析

基于气动人工肌肉和缆绳组合驱动,提出了一种三自由柔性气动连续体机器人关节,该关节具有结构紧凑、柔顺性高、控制简单等特点。通过分析该机器人关节结构特性,采用修正的D-H法,建立了其正反解运动学模型,求解了其位置运动学解和速度运动学解,通过仿真验证了关节结构的合理性和运动学方程的正确性。     

基于RobCAD软件的焊接机器人离线编程

针对焊接机器人的离线编程展开,重点介绍了利用RobCAD辅助机器人离线编程的方法.运用了SolidWorks的三维建模技术建立机器人模型并模拟了焊接机器人的工作环境,同时结合RobCAD的虚拟仿真技术实现了焊接机器人的离线编程和仿真,最终得到离线程序.基于RobCAD的编程作为整体离线编程方法的一部分,通过验证,其输出结果能够满足后续编程步骤的需求.     

基于STM32的可遥控智能跟随小车设计

针对物品搬运时人类双手仍无法完全解放的现状,设计并实现了一种基于STM32、超声波测距以及比例控制算法的可遥控智能跟随小车。小车以STM32为控制核心,有智能跟随和红外遥控2个模式可选。跟随模式下用2个安装在前端的超声波模块分别实时测量小车与目标之间的距离,单片机采用比例控制算法,根据实测距离控制左右电机转速;遥控模式下单片机根据接收到的红外遥控信号控制小车的运动方向。试验结果表明：小车在2m以内准确跟随几率大于95％、响应时间小于250 m s。该设计实现了小车对目标的360°智能跟随以及在必要情况下对小车的遥控操作,系统可靠,较人性化。