基于厚板折纸理论的微创手术钳

微创手术操作器械,作为微创手术机器人的重要组成部分,其性能的优劣直接影响手术的质量。目前的微创手术器械大多是针对手术过程中的夹取、缝合等基本操作设计的,但由于它们通常是通过简单地将传统外科手术工具小型化获得的,造成现有微创器械普遍存在着机械效益低、磨损严重、运动不协调等问题。为了提高手术操作的高效性和稳定性,基于厚板折纸理论设计了一种专门用于微创手术的新型手术钳,分析与试验表明其可提供多于传统微创手术钳1.5倍的夹持力,并具有更大的张角和更好的运动协调性,同时增加了手术操作的灵活性。动物试验表明其夹持组织更加稳定可靠。     

基于多点力约束的视网膜手术机器人的导纳控制

在视网膜血管注药手术中,手术器械与眼球巩膜刺入孔和视网膜目标血管处产生接触.为保证手术过程中这两处组织的受力在安全阈值内,提出了一种基于多点接触力的机器人约束控制算法.以手术器械轴部与眼球巩膜的接触力(巩膜力)和器械尖端与视网膜血管的接触力(尖端力)为输入,设计了机器人的导纳控制器.导纳控制器输出机器人坐标系下器械尖端...     

微创外科机器人夹持手操作力感知机构研究

针对微创手术机器人,研究设计了载有力感知功能的从手夹持手,介绍了夹持手末端柔顺机构力觉传感器的设计、驱动装置及驱动方式的选择,并基于ANSYS软件分析了微创手术机器人夹持手在夹持过程中传感器形变与受力的关系。仿真及分析结果表明传感器的形变与受力基本趋于线性关系,为进一步研究手术机器人夹持手的力感知与力反馈的控制奠定了基础。     

微创外科手术机器人多自由度手指机构设计与研究

微创外科手术机器人多自由度手指机构是在满足微创手术要求的前提下,专为外科手术机器人系统研制开发的具有多个自由度的机构。该机构拥有侧摆,俯仰,旋转,夹持4个自由度,采用驱动电机与各个执行关节分离的结构形式,具有夹持灵活性好,质量轻,夹持力大,结构简单等优点,对手指机构的指尖夹持力、关节耦合关系等关键技术进行了研究,为微创外科手术机器人的进一步研制奠定基础。     

显微外科手术机器人用操作手指的力分析

在机器人辅助遥操作显微外科手术中 ,产生和控制合适范围内的力是非常重要的。而操作手指作为显微外科手术机器人的末端执行器 ,它直接产生夹持力。因此对操作手指的力进行分析是非常必要的 ,这为操作手指的设计和夹持力的计算与控制提供了基本依据。本文介绍了自行设计的一种操作手指的结构同时对操作手指产生的力作了详细的分析。     

主从式微创外科手术机器人主手设计

主从式微创手术(m in im ally invasive surgery,M IS)机器人系统是医学中的微创手术技术和机器人技术相结合的典型产物。在手术中,手术机器人能够辅助医生进行各种手术操作及精确的定位,并且提供稳定的操作平台。通过分析腹腔镜手术中手术器械的典型运动空间和医生手术操作的动作,以及微创手术机器人从手的结构形式和运动,根据从手的操作要求,我们设计了一种适用于腹腔镜手术的主从式机器人系统的主手结构。模拟试验和仿真结果表明所设计的主手结构满足微创手术的要求。     

动态载荷下多指手抓取爆炸物的研究

将多指灵巧手运用于排爆机器人替代简单的夹持器,用于处理爆炸物等各种危险品,使机器人具有更灵活的操作能力.针对排爆机器人在野外作业时由于跨越障碍、上下楼梯等原因导致机器人产生振动,从而使爆炸物产生动载荷而影响其抓取稳定性.对排爆机器人建立振动数学模型,获得爆炸物在冲击载荷作用下的动力学响应.运用旋量理论研究多指手在动态载荷下的抓取能力,寻求多指手在稳定抓取爆炸物的前提下最小的接触力,防止由于过小接触力而导致爆炸物的脱落,甚至发生爆炸.该研究对于夹持有危险性的物品及其夹持力的确定具有指导意义.     

基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器北大核心CSCD

针对微操作/微装配系统中夹持力和装配力微小、不易感测,且微器件易变形、断裂等问题,设计一种基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器,用于微力传感。建立了光纤微力传感器测量微小力的传感方程,仿真研究了微力传感器结构参数对传感性能的影响,并通过测试验证了理论模型的正确性。结果表明:基于宏弯损耗的光纤微力传感器可实现微小力的绝对测量,并且可以通过优化光纤微力传感器的结构参数,实现分辨率和测量范围的调整。文中研制的光纤微力传感器,分辨率可达6 mN。     

飞行作业机器人动态抓取的非奇异终端滑模自适应控制

飞行作业机器人是指搭载主动作业机构拥有与环境进行物理交互能力的一类新型机器人系统。针对飞行作业机器人在动态抓取时的稳定控制难题,设计了一种非奇异终端滑模自适应控制器,通过设计辅助系统提升飞行作业机器人在面向不确定接触力时的抗扰动性能。利用牛顿-欧拉方法对飞行作业机器人进行动力学整体建模。考虑到机载机械臂末端与物体之间的瞬时接触力是抓取时的主要干扰源,利用冲量定理建立接触力的动力学模型,提高了飞行作业机器人动态抓取时的建模精度。为降低动态抓取时剧烈扰动对飞行控制性能的影响,在控制器中设计辅助系统补偿可能出现的输入饱和问题,加强了处理瞬时扰动的能力。所设计的方法通过Lyapunov理论给出了稳定性证明。仿真和实验结果表明,提出的方法在飞行作业机器人动态抓取过程中具有更强的稳定性和更快响应的优势。     

基于Q-Learning的变阻抗控制

针对机器人力控磨抛系统在作业时与不确定环境接触的接触力控制问题,提出了一种基于Q-Learning的变阻抗控制算法。首先,根据获取的系统输入检查Q函数的迭代评估控制策略并沿Q函数的梯度更新参数集至收敛,获得近似Q函数;然后,对近似Q函数求导得到最佳的阻尼系数;最后,通过阻抗控制调整力控打磨平台,从而对接触力进行实时准确控制。仿真实验表明,基于Q-Learning的变阻抗控制算法具有响应速度快、超调量低和稳定性好等特点,此外对于环境变化能快速调整适应并对期望接触力进行准确跟踪,可以有效提高机器人力控磨抛系统的接触力控制性能。     

腰椎爆裂骨折手术机器人末端器械设计

设计了一种用于爆裂腰椎重建的微创手术机器人末端器械。与传统手术器械相比,该机器人系统的末端手术器械具有更多的自由度,它采用丝传动方式,大大提高了器械的灵活性。根据手术实际需要,对末端手术器械各关节进行了受力分析和电机选型。基于D-H参数法,对手术器械进行了正运动学分析和逆运动学分析,并用Matlab仿真软件验证了运动学建模的合理性并绘制了执行器的末端轨迹图,结果证明该自动化器械可以满足此类微创手术需求。     

双爪式爬杆机器人的夹持性能分析

双爪式攀爬机器人已成为一类重要的和主流的攀爬机器人,这类机器人中两端手爪对攀爬对象抓夹的安全性和可靠性是攀爬的前提条件和基本要求,也是一个关键问题。基于此,在介绍自行开发的双爪式爬杆机器人Climbot之后提出这类机器人抓夹圆杆时的夹持力封闭性问题,对封闭性进行论证。分别分析机器人进行平面攀爬和空间攀爬时对支撑端夹持器产生的负载形式,建立其力平衡模型。基于该模型,计算夹持器的各种尺寸参数对夹持性能的影响,并对计算结果进行系统的分析。通过几组攀爬夹持试验对提出的夹持模型进行验证。结果对夹持器的设计和攀爬安全性的保证具有重要的参考和指导意义。     

基于磁定位器的微创手术机器人空间定位方法研究

在机器人辅助微创介入治疗手术过程中,需要解决医师、手术病人、医疗监测和治疗仪器等复杂多维障碍环境下,机器人辅助手术系统的精确空间定位难题.为此,研究提出了一种基于磁定位器的微创手术机器人空间定位方法.该方法通过手术三维磁场坐标环境与机器人坐标的配准,确定手术障碍环境中定位磁场与手术机器人操作末端之间的空间关系,从而快捷方便和精确可靠地迅速完成手术辅助机器人系统的术前自动标定.医学实验表明采用该方法,手术机器人的定位精度达到3mm,满足微创介入治疗肝癌的临床手术需求.     

一种爬杆机器人的结构设计与性能分析

针对城市杆状建筑的清洗和维护问题,设计了一种新型爬杆机器人,采用一个驱动机构完成了移动和夹持两种功能。研究了爬杆机器人在攀爬过程中的步态,并建立了爬杆机器人的虚拟样机,利用多刚体动力学仿真软件ADAMS完成了机器人攀爬过程的仿真,分析了机器人攀爬过程中的位移、电机转矩与机械手夹持力的变化情况。仿真结果表明,机器人能够按照预定方向完成平稳的运动,电机转矩有一定波动但不影响机器人的攀爬稳定性。通过仿真分析可知,单侧机械手与灯杆之间平均接触力大小约为32.4 N,机器人对灯杆直径变化有一定的适应能力。     

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LabVIEW的手术机器人从手夹持力监控分析系统研究

以手术机器人从手机构为对象,研制了手术机器人从手夹持力信号数据采集系统。在末端夹持手指安装了应变传感器。传感器采集的加持力信号传递给以NE592为核心的信号处理电路进行处理,将处理过后的信号传递给数据采集卡进行数据采集并通过串口接口上传到计算机;计算机监测系统软件由虚拟仪器开发平台LabVIEW完成,实现对采集卡上传的数据进行监控分析;在LabVIEW中调用Matlab Script节点,实现LabVIEW与Matlab的混合编程。实验表明,该采集系统能够很好地完成手术机器人从手夹持力信号数据采集任务,为手术机器人从手其他的深入研究提供了可靠的平台。     

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。     

用于微创外科手术机器人的多维力传感器解耦方法研究

在微创外科手术机器人系统中,力反馈功能的实现可以提高外科医生在手术中的灵活性,降低患者组织和器官损伤的风险。为实现手术过程中力的检测,设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微创外科手术机器人多维力传感器并研究其解耦方法。该多维力传感器由3条间隔120°的光纤布拉格光栅沿轴向粘贴于手术工具杆末端构成。首先在对传感器应力分析的基础上使用最小二乘法解耦,但由于装配等因素使传感器输入输出之间增加了非线性成分,因此使用前馈神经网络对多维力传感器进行非线性解耦。其次从理论和实验两方面分析了穿刺器的平移对解耦之后的力的影响。实验结果表明,前馈神经网络解耦多维力传感器的效果较好,3个相互垂直方向上的平均误差分别为0.05, 0.07和0.18 N;穿刺器平移后力检测的最大平均误差为0.036 N,可以忽略不计。设计的传感器、解耦方法以及对穿刺器平移影响的分析均具有很强的实用性。     

陀螺仪气浮轴承间隙测量系统

为实现陀螺仪动压马达气浮轴承内部间隙的精确、快速测量,研制了一套自动化测量系统.通过施加外力将轴承内部间隙转化为外部微位移,应用多测头相对测量方法间接获得内部间隙.系统中嵌入3个微力传感器,实现施力过程的闭环控制,保证力的连续、精确加载.采用自动翻转机构,实现径向、轴向间隙测量状态的自动转换,完成连续测量.为克服零件装夹中存在定转子相对倾斜而导致间隙转化不正确的问题,在轴向夹持部分引入柔性连接结构,同时利用转子体自重实现其与定子轴的自动找正,在测量过程中基于接触力和位移的双重反馈,实现零件平衡的自动精确调整,以保证内部间隙的正确转化.经实验验证,该系统测量精度在0.3μm以内,能够满足测量技术要求.     

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。