一种新颖的遥微操作机器人实验系统研制

本文提出了一种结构新颖的面向微创外科手术的遥微操作机器人实验系统设计方案.该系统主要包括单自由度主从机械手、主从力矩电机及位置、力传感器等部分.论文着重阐述了所开发研制的遥微操作机器人实验系统的机械、硬件电路及软件设计,最后给出了主端和从端位置与力比例跟踪的实验曲线.实验结果表明该系统工作稳定,设计合理,能很好满足遥微操作机器人系统的各种实验研究.     

显微外科手术机器人——“妙手”系统的研究

描述了一套显微外科手术机器人系统——“妙手(MicroHand)”．该系统采用主从遥操作方式，主从手为同构异型模式：主手是具有三维力感觉功能的PHANToM Desktop，从手是针对显微外科手术特点而设计的高精度关节型机器人．从手末端安装有六维力传感器Mini40，将检测到手术环境的力信息反馈给主手，从而使手术医生通过PHANToM感受手术环境的三维力信息．本系统成功地对兔子颈部和腿部1毫米动脉进行了血管吻合手术操作，证明了它的有效性．     

一个基于连续体机器人的黏膜切开刀

本文展示了一种多自由度黏膜切开刀的开发,该切开刀具有4个自由度,包括三个空间位置自由度和一个刀头伸缩自由度,能够通过6自由度主手进行主从控制。着重阐述了切开刀的结构设计及运动学算法的开发,并通过主从控制进行切开刀的运动验证,以及切割效果的初期实验验证。通过实现以上功能,证明该切开刀能够在手术时对黏膜进行灵活地切割,进而能够作为经自然腔道手术（NOTES:Natural Orifce Transluminal Endoscopic Surgery)的核心工具。     

单自由度远程康复训练机器人系统设计

构建了一套单自由度主从式远程控制康复训练机器人系统,治疗师通过网络远程监视患者的训练过程,借助主手带动远端患肢进行康复训练;患者在本地接收治疗师指令,在从手牵引下进行康复训练;通过Socket网络编程技术实现主从端通信;采用变系数控制实现治疗师对患者的运动控制.实验表明,治疗师可以通过主手驱动从手运动,从而带动患肢进行康复训练;相关实验数据得到记录以便后期分析;分析表明远程康复训练机器人系统具有可行性,为临床应用奠定了基础.     

一个七自由度带力反馈的遥操作主手的开发

本文展示了一个机器人系统中具有力反馈(Haptic/Force Feedback)功能的遥操作主手的开发。此主手具有七自由度的串联结构,并集成了多个电机以提供力反馈。通过ROS(Robot Operating System)的Rviz仿真环境进行了运动学验证。详述了算法开发过程,如运动学、雅克比矩阵、可操作性、正逆动力学。逆动力学计算的结果可以提供跟力控相关的功能,如重力补偿。通过以上工作,此主手不仅可以作为遥操作的输入端,而且可以将外界的接触力反馈回主手,使其成为一个双向遥操作仪器(Bilateral Teleoperation Device)。因此它可以成为机器人遥操作场景下,尤其是机器人辅助微创手术RAMIS(Robot-assisted Minimally Invasive Surgery)中重要的遥操作工具。     

一种具有力觉触觉临场感的主从机器人装配作业平台

本文介绍了一种具有力觉触觉临场感的主从机器人系统，该系统以改造后的PUMA手 作为从手，和主手一起构成异构主从手，实现了力觉触觉临场感以及对工件的自动识别和抓 取等功能，其中对PUMA手的改造以开放性作为改造的主要目的，以期能为多种传感器的集成 提供一个开放式的机器人装配作业平台．     

空间遥操作机器人主从双边自适应内模控制

天地大时延严重破坏具有力反馈的空间遥操作机器人系统的稳定性和透明性;针对天地大时延和未知的从手操作环境,基于内模控制和自适应控制思想设计一种自适应内模控制器;推导从手环境参数辨识模型,基于带遗忘因子的递推最小二乘滤波辨识环境模型,并利用辨识信息构建自适应内模控制器;基于单参数SNPIDC算法分别设计主手和从手自适应控制器;大量的仿真结果证明,在设计的主从双边自适应内模控制器作用下,空间遥操作机器人系统稳定性好,对未知环境适应能力强,系统透明性好,阻抗匹配程度高,且操作人员临场感强。     

外骨骼式遥操作主手设计及主从异构映射算法研究

为了更好地促进机器人适应复杂的遥操作任务,开发了能够精确获取人体上肢运动信息的外骨骼式遥操作主手,并通过异构映射算法,实现对6自由度协作机械臂的遥操作．首先,基于人体仿生结构,设计了可穿戴式8自由度外骨骼主手（臂部7自由度和手部1自由度）;其次,通过改进的D-H（Denavit-Hartenberg）方法建立遥操作系统的运动学模型,基于Matlab的机器人工具箱进行了工作空间仿真,并设计主从异构映射算法;最后,实验验证外骨骼主手在遥操作系统中的可操作性,以及工作空间异构映射算法的可行性．实验表明,外骨骼主手能够控制从端机械手臂,且保证末端位置和姿态一致,可在大范围工作空间内复现人体上肢精细运动,主从跟随误差达2 mm,工作空间类似于直径1.08 m的半球形．因此,可穿戴式的外骨骼主手使操作者能更加直观地参与到遥操作系统当中,辅助操作者更加高效地完成精细复杂任务．     

“妙手”系统机械结构设计与优化

为了辅助医生更好地完成显微外科手术,开发了一种主从异构的显微外科手术机器人系统——“妙手”系统．“妙手”系统的主手为商业化的Phantom Desktop主手,从手为针对显微外科血管缝合而设计的“妙手”从手．从手包括位置机构和姿态机构．位置机构通过丝传动实现双四连杆机构的运动特性;姿态机构采用三轴交汇于一点的设计思想．通过分析双四连杆机构的运动特性,根据Angeles运动灵活度指标对双四连杆机构进行了优化．结果表明：当双四连杆机构前三级杆等长且I级杆与III级杆垂直时,机构运动灵活度取最大值．     

辅助腹腔微创于术的新型机器人“妙手A”

本文以自主开发的面向腹腔微创手术的“Microllzmd A”（妙手A）机器人系统为对象,研究包含主操作端和从操作端两大部分的主从式微创手术机器人各功能子系统的组成,并重点分析基于双路平面正交偏振影像分光法的立体视觉实现原理、实时主从运动控制的实现流程和手术仿真系统。多例大型动物实验的顺利完成验证了该系统的完整性及功能的有效性。     

主从遥操作下双臂机器人的阻抗控制策略研究

在遥操作机器人系统中,从端机器人不仅需准确地跟随主端设备的运动,还需与外界环境保持合适接触力,以避免因接触力过大对机器人和环境造成破坏.由于遥操作机器人系统中主从端设备是分离的,要实现遥操作下柔顺接触是极具挑战的.为了提高遥操作机器人系统任务执行的安全性,本文结合运动映射提出一种主从遥操作下阻抗控制策略.首先,通过提出主从端运动映射策略,将主从端设备联系起来,并获得从端机器人运动的目标位姿.接着,为了实现机器人末端执行器与环境的柔顺接触,提出阻抗控制策略,建立机器人与外界环境之间的位置和接触力的动态响应关系.同时,引入虚拟排斥力,让从端机器人的双臂在可行的空间中运动,从而提高了机器人操作的柔顺性和安全性.设计了机器人拖拽和白板擦拭两个实验来验证方法有效性.实验结果表明,所提出方法可实现机器人在具有接触的任务中的柔顺操作,可提高操作的安全性.     

腹腔微创手术机器人的主从控制

为提高基于内窥镜的腹腔微创手术机器人系统的手眼协调一致性,提出了一种主从控制方法.基于旋量理论建立从手系统的正逆运动学模型,基于运动模型提出内窥镜坐标系下的主从运动控制算法,该算法包含了运动的一致性控制、相对运动控制和比例运动控制.主手的腕部为被动方式(无电机驱动),不能在任意位置保持静止,在手术开始、中途中断或调节主手工作空间时,主手和从手姿态不能保持一致.为此,开展3种辅助功能实现研究,分别为主从姿态配准、手术器械更换和主从二次映射.最后进行了套环和穿线实验,这两组实验最大空间位置误差均小于1 mm,说明该算法可有效地提高手眼协调的一致性.     

主从遥操作位置-速度混合映射研究

主从异构型遥操作机器人系统在主从结构、自由度等方面的差异,导致其主端小范围操作空间难以覆盖从端大范围工作空间,以及从端难以精确定位。针对此问题,首先搭建了一套主从异构型遥操作机器人系统的软硬件平台,然后对主从端机器人进行运动学建模,进而提出了一种主端位置-从端速度和主端位置-从端位置混合切换的映射算法。一方面,所提算法通过主端位置-从端速度映射模式解决主从工作空间不匹配的问题,从而提高大范围空间下从端抵近目标的效率;另一方面,所提算法通过主端位置-从端位置映射模式实现从端精细定位,同时克服主端位置-从端速度映射中从端无法快速换向运动的缺陷。实验结果表明,所提混合映射算法能够实现主端遥操作从端机器人高效地完成复杂、精细的操作任务。     

高压带电作业机器人系统的研制

为了适应10 kV配电线路带电作业的要求,研制了一台能够最大限度满足现场作业环境要求的高压带电作业机器人,包括主从操作机械臂、机器人专用升降系统、绝缘工具系统、绝缘防护系统四部分.在10 kV配电线路上进行了试验,机械臂操作灵活,绝缘防护方法设计合理.防护性能可靠,操作简单方便.     

单自由度力觉临场感比率遥操作实验系统研制

介绍了单自由度主从式力觉临场感比率遥操作实验系统的设计和低成本实现方法。由操作者操纵的主手装有直流力矩电机，与环境作用的小尺度从手选用可细分控制的步进电机驱动。采用一种2通道位置-力控制结构，进行了有时延和无时延的力觉临场感比率遥操作实验。实验结果表明了该系统的有效性。     

导管机器人系统的主从介入

传统的血管微创介入手术过程中医生在手术现场,其不可避免地遭受大量的X射线照射;并且导管的操作难度较大,对医生插管技术要求过高.针对此问题,研制了一种新型的集成有双电磁传感器的可定位导管机器人,并采用D-H法对其进行了运动学分析,同时设计了一套介入装置来代替医生进行导管操作,并通过对主从控制方法的研究实现了该系统的主从介入.在介入过程中,医生通过主手控制介入装置动作来实现导管的推/拉、旋转和弯曲操作,并可在引导图像的辅助下完成插管手术操作.实验表明,开发的可控导管具有较好的操作性能,介入装置实现了3种基本的介入操作,提高了导管的定位精度,同时主从介入方式也保证了医生在手术过程的安全性.     

临场感遥控机器人

全部由操作人员操作的纯粹的主从式机械手虽然也具有某种临场感,但其使用范围是有限的。最近日本正在开发一种自主行驶式遥控机器人系统,机器人的行驶是自主控制的,而它的机械手是由操作人员遥控的。通过由远处机器人传回的视觉、触觉、力觉及听觉等信号,产生一种使操作人员亲临现场的感觉。开发该机器人的目的,是从社会需求出发,扩大机器人在非结构环境中的应用。     

工业机器人遥操作系统的空间映射与控制策略

针对工业机器人遥操作系统中存在的主从机器人工作空间差异以及运动控制精度与安全问题,提出了一种工作空间映射算法与位置—速度混合控制策略。首先,将遥操作划分为自由运动和交互两个阶段,在自由运动阶段采用映射算法使主从机器人的工作空间高度覆盖,使主机器人可操控的从机器人运动范围最大化。进一步,在交互阶段设计了一种位置—速度混合控制策略对工业机器人的运动进行准确的控制,使主从机器人的实际位置轨迹准确的跟随,并进一步引入反馈引导力以实现安全的控制。最后在Touch-ABB IRB120主从机器人遥操作实验平台上对所提控制方法进行验证,实验结果表明该方法使得主从机器人运动范围在高度覆盖的同时可以保证遥操作控制的精度。     

一套研究双向控制实验系统的实现

主要介绍了一套单自由度主从式力觉临场感遥操作的实验平台,该实验平台具有操作简单和直观的特点,操作者可两手同时接触主端和从端的操作器,通过控制主手运动,使从手跟踪其运动,并且能够同时正面地感受到主从两端操作器的力反馈情况。文中对硬件和软件方面的设计分别进行了分析,最后针对某一算法进行有时延和无时延的力觉临场感实验,并进行研究。该套实验系统的设计目的是为了进行遥操作中双向控制算法的研究,实验结果表明该套实验系统能够有效地实现控制算法,从而证明其有效性。     

自治水下机器人全自由度仿真

由于自治水下机器人的复杂性，系统仿真技术变得越来越重要，系统地分析了自治水下机器人（AUV，Autonomous UnderwaterVehicle)的运动模型和空间运动方程，运用MATAB下的SIMULINK，设计了自治水下机器人的全自由度仿真工具箱，包括机器人本体运动，位姿求解和坐标系统转换等多个部分，可以方便地进行控制方法的全自由度的仿真。