显微外科手术机器人协同工作空间分析

介绍了自主研发的"妙手"主从遥操作显微外科手术机器人系统,该系统的主手为两个Phantom Desktop装置.确定合理的主手布局对于提高整个系统的易操作性有重要的作用.运用蒙特卡罗法对主手的单个和协同工作空间进行了分析.通过不同布局时主手协同工作空间的对比分析,得出如下结论:当两只主手相对布置、两主手中心点之间相距300mm时,可获得最大的形状规则的共同工作空间.研究结果不仅对改进"妙手"系统的性能有重要意义,而且对于研制开发双操作臂主手也有重要的参考价值.     

新型微创腹腔手术机器人工作空间分析

随着微创"无疤痕"理念逐渐地深入人心,患者在对待腹腔手术上有了更高的要求,而经脐单孔腹腔镜手术(SILS)由于能够满足体表无疤痕的需求,受到了更多的青睐,因此服务于SILS的手术机器人也成为了研究的热点。基于对一种新型微创腹腔手术机器人进行初步的运动工作空间研究,为该手术机器人逐步地走向成熟提供技术支撑与理论基础;通过对该机器人的工作空间主要影响机构环形平台与Stewart平台的分析与研究,模拟生成该手术机器人的工作空间范围,并与常见的微创腹腔手术所需工作空间的对比分析,验证了该手术机器人在常见腹腔微创手术中的适用性。     

七自由度微创手术机器人运动学及其工作空间分析

依据手术机器人的工作特点和设计原则要求,提出了一种体积小巧、结构紧凑的冗余7自由度机器人构型,对具有冗余7自由度串联结构的手术机器人建立了D-H运动学的分析方法,运用MATLAB求出了正解,并代入初始值验证了正解的正确性。采用基于随机概率的蒙特卡罗方法,基于对蒙特卡洛法的掌握,运用MATLAB软件编写程序生成工作空间的云图,据D-H方法可知本课题机器人的运动学方程,代入其末端执行器的位置方程可得整个机器人末端的三维工作空间图,结果表明本机器人工作空间大,可以满足手术要求,为后续机器人的动力学模型、轨迹规划及实时控制功能的实现奠定了基础。     

机器人辅助显微手术系统工作空间分析

首先介绍机器人辅助显微手术（RAMS）系统的机构组成，然后给出单臂工作空间的解析式和剖面图，再利用三维造型软件Pro／E得到其立体圈。在此基础上，对双臂协调工作公共空间进行分析，从而为机器人的初始工作状态的设定及末端工具的路径规划提供了可靠依据。最后进行了动物实验，验证了分析结果的正确性。     

三维机器人工作空间及几何误差分析

机器人工作空间的分析和求解是机器人机构设计过程中一个非常重要的问题。本文采用基于随机概率的蒙特卡罗方法,根据关节空间到工作空间的映射关系,得到了机器人机构工作空间。因为常见的机器人属于三维空间机构,所以在以前工作的基础上,将概率方法推广到对三维机器人机构工作空间的求解上。通过深入地研究二维、三维图形的微分几何关系,在沿z方向得到每一层的边界曲线基础上,采用曲线包络的方法得到了三维工作空间曲面的形状。通过一个例子详细说明了该方法的具体使用。最后对三维工作空间进行了几何误差分析,并说明了该方法对工程实际问题的应用价值。     

手术机器人的协同工作空间分析

根据随机抽样的蒙特卡洛方法,对冗余自由度的手术机器人的工作空间进行了分析,并根据分析过程编制算法程序,利用计算机辅助制图,得到手术机器人末端的工作空间仿真图形。由仿真图形可以看出,该工作空间符合设计要求。     

基于Alpha Shapes三维重建原理的机器人工作空间求解方法

工作空间是机器人的一个重要运动学指标,对工作空间进行分析是手术机器人结构优化和手术规划的重要环节。首先应用蒙特卡罗法求解得到了工作空间点云;采用按角度划分法对工作空间点云进行了边界提取;基于所提取的边界点,运用Alpha Shapes算法对工作空间进行了三维重建。相比传统工作空间曲面求解方法,该算法可以通过调整参数来适应不同类型的工作空间,具有很好的精度和通用性。最后运用数值积分方法求解出了工作空间体积,为机器人实施手术奠定了基础。     

机器人工作空间边界点提取算法研究与改进

工作空间边界点提取是机器人工作空间分析中的关键环节。对现有的工作空间边界提取算法进行了详细讨论。针对传统按列划分法边界点提取均匀性差以及内部边界点提取困难的缺陷,提出了按角度划分的边界点提取算法;针对局部坐标法计算效率低的缺点,采用将按角度划分法与局部坐标法结合进行边界点提取的方法。采用最小二乘法对边界点提取结果进行了分析;结果表明改进后的算法计算效率和计算精度都有所提高。最后采用改进算法对一冗余自由度的混联手术机器人工作空间进行了边界提取,验证了算法的正确性和可行性。     

基于随机概率的机器人工作空间及其面积求解

采用随机概率的蒙特卡罗方法得到了平面机器人的工作空间。由于此方法不用对机器人进行逆解计算，也不必直接对奇异值进行计算，所以非常适于工作空间边界曲线的绘制。本文的另一个目的在于扩展一种简单快速的方法，更有效地确定一般平面机器人工作空间的面积。由于工作空间是由一系列的直线或圆弧曲线构成的封闭图形，所以可以采用矢量法对边界点予以表示，并用窄矩形对面积进行近似计算。最后，对一个平面机构的实例进行了面积计算和比较分析。本文介绍的方法不但简单而且在工程中非常实用。     

基于对偶数矩阵的穿刺机器人建模及工作空间分析

提出了一种穿刺机器人,由竖直移动关节、水平移动关节、前后移动关节、相互垂直方向上的两个旋转关节以及进针关节共同组成,六个关节实现对针尖姿态的调整,进而达到协助医生治病医疗的功能。阐明了一种基于对偶数矩阵建立运动学模型的整体步骤、方案,并针对所提出的穿刺机器人进行数学模型的建立,通过经典的D-H法进行验证,结果表明,用对偶数模型也能达到D-H法同样的结果,并进一步推测,假如建立一种对偶数运算法则函数,将极大提高运动学数值运算的速度,对于高关节数目的机械运动的计算具有一定的指导意义和参考价值。最后,在对偶数矩阵建立的模型基础上对机器人进行工作空间分析,初步证实了关节结构尺寸设计的合理性。     

微创外科手术机器人6自由度操作手运动学分析

微创外科手术机器人6自由度操作手是微创外科手术机器人的重要组成部分,是进行手术的主体.而操作手的运动学正逆解是对外科手术机器人进行研究的关键技术之一.文中运用D-H法对外科手术机器人运动学正解进行了研究,且根据位姿分离的方法求解出了运动学逆解,并采用MATLAB中的SimuLink对运动学正逆解进行了仿真验证,从而为微创外科手术机器人的进一步研究奠定了基础.     

微创手术机器人远程监控系统设计

远程监控机器人系统能够实现远距离控制本地机器人.它在危险环境作业中具有不可替代的作用.同时在远程医疗中也具有相当广阔的应用前景.为了建立基于互联网的手术机器人远程监控系统,实现控制数据及视频画面的传输,利用Video for Windows(VFW)在机器人端捕捉摄像头视频信号,H.263算法完成视频信号压缩.信息的传送采用Visual Basic6.0的Winsock控件.详细介绍了远程控制结构和控制协议,以及通信两端软件基于Visual Basic6.0的实现.通过对自主设计的手术机器人实验表明,该远程监控方案是可行、有效的.最后展望了远程监控的发展趋势以及本系统需要改进的地方.     

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。     

基于MEMS的微创手术机器人位姿检测及精细控制

针对微创手术提出的高精度和高实时性要求,采用基于光电传感器和微机械陀螺的双重闭环控制模式,实现微创手术机器人的位姿检测与精细控制.编码器、光栅尺所检测的各关节实时位移,输入到运动控制卡中,构成第一层反馈环节;基于微机械陀螺检测的角速度信息,利用基于二次插值构造的数字积分方法,在DSP中进行积分得到角位移,供上位机调用,构成第二层反馈环节.试验验证该双闭环检测控制模式能有效弥补电机运转偏差和各杆件加工误差;构造的数字积分方法在满足实时性要求的前提下,具有很高的精度,最大偏差不超过0.0172°;可以很好的保证微创手术机器人的微小动作要求.     

一种新型并联机器人工作空间分析

对一种新型并联机器人的工作空间问题作了讨论,基于运动学逆解,通过极限边界数值搜索算法求取了并联机器人工作空间,并通过MATLAB仿真得到了该并联机器人工作空间的实体模型.     

Development of a novel hand−eye calibration for intuitive control of minimally invasive surgical robot

Robotic-assisted surgical system has introduced a powerful platform through dexterous instrument and hand−eye coordination intuitive control. The knowledge of laparoscopic vision is a crucial piece of information for robot-assisted minimally invasive surgery focusing on improved surgical outcomes. Obtaining the transformation with respect to the laparoscope and robot slave arm frames using hand−eye calibration is essential, which is a key component for developing intuitive control algorithm. We proposed a novel two-step modified dual quaternion for hand−eye calibration in this study. The dual quaternion was exploited to solve the hand−eye calibration simultaneously and powered by an iteratively separate solution. The obtained hand−eye calibration result was applied to the intuitive control by using the hand−eye coordination criterion. Promising simulations and experimental studies were conducted to evaluate the proposed method on our surgical robot system. We extensively compared the proposed method with state-of-the-art methods. Results demonstrate this method can improve the calibration accuracy. The effectiveness of the intuitive control algorithm was quantitatively evaluated, and an improved hand−eye calibration method was developed. The relationship between laparoscope and robot kinematics can be established for intuitive control.     

三杆六自由度并联微动机器人的工作空间分析

针对提出的基于压电陶瓷驱动的三杆六自由度并联微动机器人,在分析其结构特点的基础上,通过坐标变换求出了其逆解方程.分析了影响并联微动机器人工作空间的约束条件,对定姿态工作空间采用一维搜索法求得边界点.用实例进行仿真计算,得到结构参数对工作空间的影响规律.与常规6-PSS并联微动机器人的定姿态工作空间进行了比较,说明了其工作空间分布的特点.所做的工作空间分析为机器人工作空间优化设计和机构尺寸设计提供了依据.