CT导航微创外科混联机器人拓扑结构分析

分析了CT导航微创外科手术环境对机器人的特殊要求,提出了一种新型串并混联机器人构型 .详细讨论了机器人的串、并联拓扑结构的设计依据,比较了多种串联微创外科机械臂的结 构类型,明确了串联部分的构型.针对传统并联机构灵活性较小的不足,提出并分析了并联 机构的结构框架,确定了并联部分的结构.基于螺旋理论重点求解了并联机构的位移输出特 征方程及其自由度,同时给出了串联部分的位移输出特征矩阵.通过灵活性仿真,验证了该 机器人可用于CT受限空间的微创外科定位手术.本文对于新型医疗机器人的构型设计提供了 一种理论参考.     

基于准确度评估的7自由度手术机器人术前摆位优化算法

针对微创机器人辅助的外科手术复杂的术前摆位问题,以甲状腺微创手术用到的床旁双7自由度协作机器人为研究对象,将机械臂的运动准确度以及运动学性能作为优化目标,提出了机械臂准确度评估指标以及其对应的干涉指数,并提出了一套基于带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）多目标遗传算法的术前规划方法。最后,将由该遗传算法优化得...     

CT导航微创外科机器人关节液压锁紧结构研究

分析了目前微创外科机器人关节锁紧机构的发展现状和存在的问题,讨论了机器人关节摩擦力 矩产生的机理以及影响摩擦力矩的因素．针对当前医疗机器人锁紧结构不足之处,基于关节摩擦理论,提出 并设计了三种不同形式的CT 导航微创外科机器人关节锁紧结构,分别阐述了它们的工作原理和实现形式．通 过对不同结构的性能对比实验,确定采用基于外摩擦环的机器人关节锁紧结构,并初步验证基于该结构的机 器人系统可以满足CT 导航微创外科临床手术需求．     

基于腹腔微创手术机器人的主从控制技术研究

根据机器人辅助腹腔微创手术任务的特点,采用高性能工业计算机为平台,构建以PCI总线方式通讯、功能可扩展的硬件结构,设计手术机器人主从控制系统.针对传统的基于运动学反变换法的主从控制存在超越函数和存在多解而影响主从响应速度的问题,基于等效微分变换法,提出适合于术机器人的实时主从摔制算法.设计了适合手术机器人实时主从控制的...     

基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计

针对微创手术机器人运动过程受到信号干扰而导致机器入主从臂控制效果差、控制精度较低的问题,提出了基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;主控制器通过蓝牙的无线传输方式与主机连接,采用I/O口模拟SCI硬件流控方式,实现MCU与蓝牙通信,为系统提供基础数据;设计时钟基准电路的并联振荡模式,方便失控程序重启;根据运动控制器结构,设计预留模数转换接口,并对机器人主从操作臂展开详细分析;使用基于STFT短时傅里叶变换方法抑制外界干扰,在LM629运动控制专用集成芯片支持下设计控制流程,完成基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;设计对比实验,结果表明该系统与期望主臂运动轨迹的终点坐标(10 mm,-35 mm,45 mm)和从臂运动轨迹的终点坐标(18 mm,-45 mm,25 mm)一致,能够精准控制微创手术机器人运动精度,为医学手术智能化开展提供设备支持.     

基于TCP/IP的七自由度机械臂远程控制

针对七自由度机械臂远程控制的需要,构建了基于TCP/IP网络的控制系统。首先通过设计单片机系统实现本地端控制,然后运用WinSockets类创建基于TCP/IP的远程控制程序,]使连接在Internet网络上的任意客户端均可实现对机械臂的远程控制。结合视频网络服务器,实现了对机械臂的实时监控操作。     

PVDF-Based Microfabricated Tactile Sensor for Minimally Invasive Surgery

This paper aimed to develop a miniaturized tactile sensor capable of measuring force and force position in minimally invasive surgery. The in situ measurement of tactile information is a step forward toward restoring the loss of the sense of touch that has occurred due to shift from traditional to minimally invasive surgeries. The sensor was designed such that it can sense low forces which could be comparable to those produced by pulsating delicate arteries, yet can withstand high forces comparable to grasping forces. The influence of some hidden anatomical features, such as lumps, voids, and arteries, on the stress distribution at the grasping surface was studied. In this paper, the capability of the sensor to determine and locate any point load was also investigated. The proposed sensor was designed and manufactured to be highly sensitive, using polyvinylidene fluoride (PVDF). The microfabrication procedure of the sensor, including corner compensation for toothlike projections and patterning of PVDF film, was discussed. The micromachined sensor was tested, and the experimental results were compared with the results of 3-D finite element modeling. $hfill$[2007-0286]      

VR-Based Simulators for Training in Minimally Invasive Surgery

Simulation-based training using VR techniques is a promising alternative to traditional training in minimally invasive surgery (MIS). Simulators let the trainee touch, feel, and manipulate virtual tissues and organs through the same surgical tool handles used in actual MIS while viewing images of tool-tissue interactions on a monitor as in real laparoscopic procedures     

微创血管介入手术机器人控制系统与零位定位装置设计

为实现微创血管介入手术机器人对手术工具的精确定位和稳定把持,设计了其控制系统及相应零位定位装置.首先介绍了机器人系统组成和基于PMAC(可编程多轴控制器)的上下位机控制系统构架.同时,设计了5次插值运动规划算法和关节运动的三环PID控制算法,提高了机器人响应速度和稳定性.为了确定机器人运动初始位置,提出了以霍尔传感器为基础,结合电机运动信号的零位找寻方法和装置.实验结果表明,该零位定位装置定位稳定且准确.     

基于ROS的服务机器人云端协同计算框架

随着机器人应用技术的发展,服务机器人走进人们的生活日渐成为可能. 但机器人本身计算能力有限,同时仅靠自身的传感器接收的信息也有一定的局限性. 现有的机器人还不足以胜任面对复杂场景的应对能力,也不能够满足人们对服务机器人的期待. 本文设计的云机器人计算框架（cloud robot computing framework, CRCF）通过云端,将智能家居以及其他智能硬件与机器人相结合,为机器人提供更多更广的信息. 同时,CRCF通过互联网结合了其它第三方的云端应用API,为机器人提供更多的服务功能. CRCF框架旨在利用云端的大数据处理能力提升机器人的计算和存储能力,并结合第三方云端应用服务和智能硬件设备来拓展机器人的信息来源和服务功能. 最后,本文通过远程语音控制机器人的实验,验证了CRCF系统平台在结合硬件设备以及第三方云端应用的功能和性能.     

微创手术机器人的力/位解耦协同智能控制

为解决目前市场上可利用的微创手术机器人都不包含重要的触觉(力)反馈机制的问题,根据人体内部双边解耦协同的生理调控机制,结合微创手术机器人的控制特性,开发了一种新颖的力/位解耦协同控制策略,并设计相应的智能控制系统.通过4个3自由度触觉操纵器装置,对提出的智能控制系统性能进行了真实的实验验证.实验结果表明,提出的控制系统能够实现力/位信号的解耦与协同控制.操作者能够获得准确的力反馈信号,确保机器人和谐、平稳地完成任务.     

微创介入机器人系统设计与精度分析

针对微创介入手术对医生的身体危害性及难操作性等问题,设计了一种辅助医生手术操作的新型介入手术机器人系统,并详细阐述了模仿医生实际夹持与旋捻导管动作的仿生手指的设计理念以及基于神经网络的PID控制系统的设计过程。利用所研制出的血管介入机器人样机,开展了推进机构的精度实验,实验测试的各项精度结果证明所开发的推进机构满足精度的设计要求。通过对机构精度和误差来源的分析,给出提高精度的3条可行措施。本介入手术机器人满足设计要求,为同类产品的设计和改进提供了参考依据。     

基于计算力矩的微创手术机器人控制

针对微创手术机器人通常采用的独立PD控制或基于重力补偿的PD控制,都必须预先设定好相应的PD常数,不能随刀具所受有效外载荷而进行自适应调节,从而影响了机器人的定位精度的问题.提出了一种基于计算力矩的控制模型,在拉格朗日动力学模型基础上引进控制量使机器人系统线性化,并且将静力学分析结果作为反馈信号,完成外载荷作用下的轨迹...     

基于微创外科手术机器人操作手的夹持灵活度研究

为了反映外科手术机器人六自由度操作手的指尖在夹持点对物体的夹持能力,分析了夹持时指尖的姿态、夹持物的姿态及两者的关系．推导了指尖在夹持点对处于任意姿态的物体进行夹持时所需姿态的解析表达式,并借助姿态球给出了夹持灵活度的定义．研究了本机构工作空间中离散点的夹持灵活度,确定了指尖夹持的灵活空间,并通过SimMechanics进行了仿真验证．     

微创手术机器人力反馈主手重力补偿研究

针对医生操作微创手术机器人力反馈主手进行主从微创手术时力反馈主手各杆件重力阻碍操作性能的问题,基于虚位移原理对力反馈主手各关节的重力矩进行推导,并采用Adams仿真软件对其进行验证.该方法适用于开链和闭链结构的机器人臂,与传统的牛顿-欧拉法和拉格朗日法相比,它不需考虑速度、加速度,且简单有效.然后采用电机驱动的方式对力反馈主手的各连杆重力进行补偿,实现了重力的完全补偿.实验结果表明,基于虚位移原理的主动重力补偿能够达到较好的补偿效果,将未补偿前的重力矩作用减小了60%以上,提高了力反馈主手的操作性能.     

具有友好人机界面遥操作移动机器人的合作控制

文章针对遥操作移动机器人的人机界面、远程通讯和合作控制问题进行研究,以促进遥操作移动机器人在现实环境中的应用为目的,设计和实现了一个具有友好的人机界面、方便的通讯方式和控制灵活稳定的遥操作移动机器人。实验证明,该系统运行平稳可靠,控制灵活,可用于危险环境下的任务执行。     

腹腔微创手术机器人末端执行机构的设计和实现

为了提高腹腔微创手术的安全性,设计了一种新型的腹腔微创手术机器人末端执行机构,用于夹持手术器械．根据腹腔微创手术的特点和技术要求,采用轴驱动和平行四杆的运动原理设计定点机构．详细介绍了末端执行机构的机械结构,应用D-H法和矢量代数法给出了各个关节的运动学解公式,研究了控制系统的硬件结构和软件系统,并进行了样机实验．实验表明所设计的末端执行机构具有很好的定点运动效果,能够较好地完成手术规划,满足腹腔微创手术要求．     

Design of a Sliding Mode Controller with Fuzzy Rules for a 4-DoF Service Robot

In this study, a novel control strategy that combines a fuzzy system and the sliding mode controller is proposed for improving stability and achieving high-accuracy control in service robots. Based on the kinematic and dynamic models of a 4-degrees of freedom manipulator, and the observed tracking error using a low-cost inertial sensor, the proposed fuzzy sliding mode controller (FSMC(IMU)) is designed to generate appropriate torques at robot joints. The FSMC(IMU) controller parameters are adjusted through a fuzzy rule that determines the state of the system. The error in trajectory tracking is reduced through this. The gain value K can be finely adjusted by fuzzy control by observing the degree of vibration after entering the sliding mode surface. The larger the observed vibration value, the faster the fuzzy controller follows the given input trajectory by selecting a smaller gain value K and reducing jitter due to the sliding mode control’s discontinuous switch characteristics. When the degree of error is small, it achieves faster and more accurate control performance than when the observer is not used. The stability of the FSMC(IMU) system is verified via disturbance experiments. The experimental data are compared with the conventional sliding mode controller and proportional-derivative control. The experimental results demonstrate that the proposed FSMC(IMU) controller is stable, fast, and highly accurate in controlling service robots.

     

A Hybrid Framework for Mobile Robot Localization: Formulation Using Switching State-Space Models

In this paper we address one of the most important issues for autonomous mobile robots, namely their ability to localize themselves safely and reliably within their environments. We propose a probabilistic framework for modelling the robot's state and sensory information based on a Switching State-Space Model. The proposed framework generalizes two of the most successful probabilistic model families currently used for this purpose: the Kalman filter Linear models and the Hidden Markov Models. The proposed model combines the advantages of both models, relaxing at the same time inherent assumptions made individually in each of these existing models.     

基于Robot Framework的MVC GUI模块自动化测试框架

基于Robot Framework提出了一种面向MVC GUI模块的自动化测试框架。该框架将GUI自动化测试分为四大方面：用户界面功能测试、信息设置功能测试、信息查询功能测试和特殊项测试。整个框架将上层 GUI和底层Database进行结合测试,使GUI自动化测试范围得以全面覆盖;并根据不同系统环境,编写Python脚本,灵活调用底层数据;而选用黑盒与白盒有机结合的测试方式,使测试者可以迅速锁定代码缺陷,保证了开发程序的正确性和完整性。同时,就OpenWRT LuCI模块作为具体实例,验证了本框架的适用性。