基于误差标定的医疗机器人视觉跟踪方法研究

影像在疾病诊断和手术计划中占有重要地位,随着机器人技术的发展以及微创手术的广泛采用,影像与机器人构成一体,形成计算机集成外科手术系统。影像不仅是疾病诊断的重要工具,它也对手术机器人进行定位、引导,对手术器械进行跟踪和控制。由于视觉和机器人具有各自的坐标系统,它们之间存在误差,当在视觉空间控制机器人运动时,该误差会映射到机器人的轨迹上。在前期手术计划、机器人视觉控制、自动显微操作的研究成果基础上,研究计算机集成外科中的手术机器人轨迹精确控制问题。采用机器人在视觉空间的运动误差对视觉系统和机器人系统间的坐标系误差进行标定,从而精确控制机器人的轨迹。误差标定方法只需要让机器人走三个点就可以完成系统坐标标定。在实验中,利用视觉系统控制机器人运动,模仿微创手术中对机器人末端器械的导引,结果表明,采用递归标定方法可以将机器人的轨迹误差控制在2个像素范围内。     

基于空间绝对距离的机器人自标定研究

研究了一种工业机器人的自标定方法,对六自由度工业机器人的控制模型和误差模型进行了独立建模。提出的标定方法是基于空间中的绝对距离,对测量工具要求并不苛刻,测量过程简单,数据获取便捷可靠。采用解析法消除冗余误差参数,使得参数辨识的结果变得精确可靠。经实验证明,基于空间绝对距离的机器人自标定方法能将机器人的绝对精度提高十几倍。     

机器人柔性视觉测量系统标定方法的改进

提出一种改进的柔性视觉测量系统标定方法。建立了包含手眼关系误差与机器人运动学参数误差的系统误差模型。在机器人末端安装结构光传感器构建了机器人柔性视觉测量系统,并在机器人工作空间中固定一个标准球作为标定参考物。标定时,机器人被控制在不同位姿下测量球心坐标。首先,应用机器人的理论模型初步标定手眼关系;然后,基于球心约束,通过迭代算法同时得到准确的手眼关系和实际的机器人运动学参数。基于ABB IRB2400工业机器人进行了系统标定实验,并利用激光跟踪仪进行精度验证。结果表明:标定前后机器人柔性视觉测量系统的距离测量标准差由0.566mm降低到0.173mm,充分验证了改进方法的有效性和实用性。该方法提高了手眼关系的精度;不需要采用任何昂贵的外部设备,适合工业现场使用。     

微装配机器人手眼标定方法研究

在视觉反馈的机器人控制中,手眼系统的标定非常重要,直接影响机器人的作业精度.针对微装配机器人系统操作空间小的特点,提出了一种固定视觉的手眼系统标定算法,该方法通过3个空间点在机械手基坐标系中的坐标,采用P3P位姿测量原理获得相应空间点在摄像机坐标系中的坐标,建立了标定方程组,基于最小二乘法,标定出了手眼系统之间的转换矩阵.该方法无需复杂的辅助设备,标定过程简单.相关实验得到了待标定的手眼系统之间的转换矩阵,验证了该方法的标定精度和有效性.     

基于手眼关系与基坐标关系的协作焊接机器人标定

面对焊接路径较为复杂的焊接任务,为提高焊接质量和焊接效率,多机协作焊接方法逐渐被研究和采用,但协作机器人系统初始状态的标定精度直接影响机器人焊接质量。针对该问题,以焊接、搬运两台FANUC 200iD/4S工业机器人组成的协作焊接系统为例,采用三点共圆的基坐标标定方法与成像对称性的张正友手眼标定方法,对焊接机器人上安装的相机进行手眼标定作业的同时完成了协作机器人系统间的基坐标关系标定,从而快速得到手眼标定参数,形成完整协作机器人系统的标定参数。最后搭建了协作机器人系统实验平台,进行标定精度验证。实验结果表明:此方法有较高的标定精度,可靠性较强,适用情况更加广泛,可应用于协作焊接机器人系统。     

基于零力控制的机器人标定技术研究

机器人标定是提高机器人控制精度的关键技术之一,测量手段是制约其发展的重要因素。为提高控制精度和标定可操作性,针对一种6R型机器人,首先基于封闭运动链建立了双机D-H运动模型,可以更好地描述机器人不同关节的几何关系。随后,将零力控制与标定过程相结合,利用零力控制可以减小关节磨损、提高离线示教效率的优势,为关于标定方法的研究提供了可实施方案。实验结果表明,增加零力控制后的双机标定可以提高机器人的控制精度。     

饰品研磨机器人系统的研究

将工业机器人应用到小型产品的精加工中,提出了基于工业机器人的饰品自动化研磨系统的方案.通过系统的搭建,就其中机器人作业标定和运动学分析方法的问题进行研究,提出了特定标定方法和位置姿态分离控制运动学方法.     

基于全位姿测量优化的机器人精度研究

随着机器人在高端制造业、航空航天、医疗等领域广泛应用,对其全位姿精度要求越来越高。采用激光跟踪仪对机器人末端执行器进行全位姿实测,研究基于几何参数标定的机器人精度提升方法。首先,建立了串联机器人(MDH)模型;其次,提出了基于拟随机序列产生初始位置的改进乌鸦搜索算法(ICSA)用于标定机器人几何参数,建立了用ICSA标定机器人几何参数目标函数的数学模型,给出了标定的详细步骤。最后,对Staubli Tx60工业机器人进行了实测标定,结果证实:采用提出方法能够快速标定机器人几何参数,标定后的机器人在工作空间内随机选择的测试点其平均绝对位置和姿态误差由标定前的0. 309 6 mm和0. 232 2°减小为标定后的0. 092 6 mm和0. 082 9°,精度大幅提升。该方法简单易实现,效率高,鲁棒性强,稳定性好,适宜于在位置和姿态均有高精度要求的机器人中推广应用。     

基于单目视觉的双机器人协同标定技术

由于机器人的基坐标系隐藏在底座内部,导致双机器人基坐标系间位姿关系的测量变得十分困难,而该关系作为机器人离线编程、协同控制的基石,对于多机器人系统的正常工作至关重要。为此提出了基于单目视觉的协同标定方法,利用单目视觉和棋盘格标定板求解双机器人基坐标系间位姿相对关系并使用激光跟踪仪标定法作为对照对双机器人基坐标系关系进行了标定,并通过双机器人位姿协同实验对标定的结果进行验证,最终得到基于单目视觉的协同标定方法所对应的双机器人位置协同误差最大值为1.278 mm,最小值为0.601 mm;姿态协同误差最大值则为0.481°。     

机器人视觉系统标定问题研究综述

在视觉反馈机器人的控制中,摄像机的标定是一个基本的、重要性的问题.该文首先对摄像机的成像模型进行分析,明确了视觉系统标定的主要任务,然后从离线标定和在线标定两方面阐述了相关的研究思路和方法,为机器人视觉系统的研究提供了参考.     

基于柔性可控气液界面的微尺度执行器

为了在微尺度范围内实现对目标对象进行柔性施力、推拉等一系列微纳操作,提出一种通过生成控制单个微尺度气泡直接与目标对象进行微纳操作的方法。当用气泡作为执行器对目标对象施力时,由于气体的可压缩性,气泡会被挤压变形,实现了柔性施力的过程。首先通过毛细管连接气泵的方式在液体环境下生成单个微尺度气泡,并定性分析气压法生成控制气泡变化的过程;随后,为了验证气泡可以作为执行器对研究对象进行施力,实验以一个微型悬臂梁作为参照物,气泡作为执行器对悬臂梁的末端施力,通过悬臂梁的形变来估算气泡的施力值。对实验数据进行分析,得出气泡作为执行器特性以及气泡的形变与其输出力之间的线性关系。     

Computer controlled brilliant cutting of flat glass

Brilliant cutting is a grinding process used to cut and polish decorative patterns into flat glass. It is a labour intensive process and essentially requires a skilled cutter to present a sheet of flat glass to a grinding wheel. Manual manipulation of the glass is then used to enable the grinding wheel to cut the desired pattern into the glass. This paper describes a CAD/CAM system which has been developed to replace this manual process. The basic design concept involved allowing a grinding wheel to move whilst keeping the workpiece stationary. Fiveaxis manipulation of the grinding wheel was required to ensure that a wide range of decorative shapes could be successfully generated and CNC part programs were developed from 2D drawing data.     

Massless links with external forces and bushing effect for multibody dynamic analysis

When the contribution of lightweight components to the total energy of a system is small, the inertia effects are sometimes ignored by replacing them to massless links. For example, a revolute-spherical massless link generates two kinematic constraint equations between adjacent bodies and allows four relative degrees of freedom. In this paper, to implement a massless link systematically in a computer program using the velocity transformation technique, the velocity transformation matrix of massless links is derived and numerically implemented. The velocity transformation matrix for a revolute-spherical massless link and a revolute-universal massless link are appeared as a 6X4 matrix and a 6X3 matrix, respectively. A massless link model in a suspension composite joint transmitting external forces is also developed and the numerical efficiency of the proposed model is compared to a conventional multibody model. For a massless link transmitting external forces, forces acting on links are resolved and transmitted to the attached points with a quasi-static assumption. Numerical examples are presented to verify the formulation.     

Remote control of a robot in a map network

The automated control of manufacturing devices on a common communications network is a necessity for the factory of the future. The manufacturing automation protocol (MAP) represents a major effort by a group of companies towards meeting this need, and apparently is becoming a standard for factory-floor communications. In this project, an ASEA 2000 robot was used with a computer-controlled ply-cutting machine in a simulated factory sheet-metal cell to demonstrate coordinated inter- and intra-cell communications. Both machines used a MAP network to send and receive information from the cell-controller computer, and to coordinate cell operation. The methodology, hardware and software required to adapt the ASEA robot to the MAP network are described. This methodology will be useful in adapting other computer-controlled manufacturing devices to MAP networks.     

脉冲激光测距中高精度时间间隔测量方法的研究

高精度时间间隔测量对脉冲激光测距系统具有重要意义,为此提出了一种新的高精度时间间隔测量方法。该方法在FPGA中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合。采用脉冲计数法对被测时间间隔进行“粗值”测量,保证大的动态测量范围。利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N。利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化。该方法解决了传统多相采样技术中倍频次数高则相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率。测试结果表明,该时间间隔测量模块不但可以实现大的动态测量范围,而且测时过程相对较短,具有较高测时精度。     

Measurement of human response to tactile temperature sensing using stochastic system identification

Tactile response is limited for many operations that are preformed in extreme environments due to bulky equipment or the limitations of the human body. In order to allow a user in extreme environments to regain some of their temperature-tactile response, a glove was developed that converts temperature into a vibration felt by the user. An RTD was attached to the glove and connected to a microcontroller. This microcontroller converted temperature into a voltage and transmitted it to a micromotor that controlled the vibration felt by the user. Through this scheme, the user was able to identify a temperature increase with a 4 s delay. This paper also presents the system response of the glove to a temperature impulse. Using this system transfer function, it is possible to make improvements to the glove to reduce the overall delay between the glove sensing a temperature and the user recognizing the temperature change.     

单镜头大视场拼接成像方法及实现

在远距离目标轨迹测量系统中,当前的长焦相机由于CCD尺寸限制一般视场角度较小,无法实现对目标的可靠捕获。在对比当前的几种大视场拼接成像方法后,针对远距离目标测量系统的要求提出了一种通过控制单个相机进行圆锥旋转来模拟4相机阵列实现大视场成像的方法。设计了实验样机对该方法进行验证。首先根据该成像方法设计了相机运动控制方案和相应的机械结构,然后设计了相机的触发控制以及图像数据的传输和处理流程,最后使用该样机进行了实验。实验中样机经校准后采集到了相对位置正确的子视场图像,并拼接获得了大视场图像。使用视场角度为1.02°的小视角相机,实现了4个有一定程度重合的子视场2×2拼接,最终获得了1.93°的大视角。该方法为远距离目标测量系统中的目标捕获子系统设计提供了新思路。     

Development of microstretching device to evaluate cell membrane strain field around sensing point of mechanical stimuli

In this study, we developed a novel cell-stretching device to evaluate the micro-strain field on a cell membrane in which a cellular response to a mechanical stimulus occurred. In a conventional cell-stretching device, rigid displacement of the cell body during the stretching operation is not negligible. This rigid displacement makes it difficult to observe the initial cellular response to stretching with high spatial and temporal resolution. A novel device is fabricated by applying the MEMS (micro-electro-mechanical systems) technique, and consists of a transparent elastic microchamber and a microlinkage mechanism by which uniaxial stretch is applied to the microchamber. The microchamber and linkage mechanism are fabricated by micromolding and multiple exposure of photoresist, respectively. We demonstrated the applicability of the fabrication process that we proposed, and evaluated the performance of the microdevice prototype. As a result of operation tests, rigid displacement of the cell body during stretching was found to be well suppressed. This result indicated the potential of this device to be used to observe and evaluate the initial cellular response and micro-strain field on a cell membrane during uniaxial stretching.     

计算机辅助设计凸轮及其数控加工

介绍了如何利用计算机对于形状复杂和高精度的凸轮进行辅助设计,以及将设计结果直接在数控机床上加工的方法,分析了图解法设计的局限性和计算机辅助设计的优越性,指出了利用计算机辅助解析法设计是实现数控加工的基础,也是未来机械设计的发展方向。