血管介入手术机器人系统力反馈的模糊融合

为完善主从式血管介入手术机器人系统,构建了力反馈回路.通过集成两个微型力传感器,实现了对导管前端和侧壁与血管接触力的同时测量.鉴于主从模式与传统手动操作的不同,在进行力觉交互时,为保证医生成熟的手术经验继续发挥作用,采用模糊推理中的双输入–单输出模型完成两路数据的融合.通过标定隶属度函数和制定融合规则表,将积累的手术经验转化为数字化的力反馈策略,不但改善了低采集频率下的力反馈效果,更在准确表征介入状态的同时,针对不同的接触状态实现了不同的反馈分辨率,从而进一步保证了机器人手术系统的适应性、安全性和操作效率.     

一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法

在虚拟拆装系统中,为了增强用户的"沉浸感",会引入力反馈设备,但目前力反馈设备价格昂贵,同时力反馈算法也不成熟,二者导致了力反馈的引入无法商用和推广.为使用户在无力反馈设备的虚拟拆装系统中感受到操作时作用力的变化,提出了一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法,构造一个可形变、带标尺的弹簧来代表虚拟手,将拆装关系变化时引起的力反馈通过弹簧的实时形变来表达,用视觉反馈形象化地表现了力觉反馈,取得了良好的实际效果.实验证明,此方法既降低了虚拟拆装系统的研发难度,又节约了虚拟拆装系统开发与推广的成本,具有较好的推广和使用价值.     

基于心率的上肢康复机器人的开发

针对上肢损伤患者,设计了一种基于力反馈+心率实时监测的双臂6自由度上肢康复训练机器人。该机器人能够通过力反馈传感器采集患者和机器人之间的相互作用力,并通过心率传感器采集患者的心率数据。MCU对这些信息通过A/D采集的方式进行处理,并将数据存档。医生对这些数据进行分析后,制定出更加适合患者的康复方案并下发到MCU。MCU接收到信息后会执行医生制定的康复方案。如果患者再次出现损伤,医生还可以通过分析患者的档案信息来制定更加科学有效的康复方案。实验验证开发的康复机器人对于上肢损伤患者具有良好的康复训练效果。     

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．     

基于Internet的远程控制康复训练机械臂

针对上肢受伤和中风病人康复医疗的需要,将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的康复训练,研制了一种新颖的基于Internet的远程康复训练机械臂,使得医生可远程设定康复机械臂的训练模式和控制参数,从而控制机械臂,帮助在家中或社区医院的中风病人或上肢残障人员进行康复训练,医生利用反馈的视频图像及力反馈信息监控患者的训练状况.该系统可以大大提高医生的工作效率,方便广大中风病人和上肢残障人员.     

单自由度康复训练机器人的虚拟环境设计

提出并建立了一个可用于机器人辅助康复训练的虚拟环境.虚拟环境可以提供视觉反馈,将患者控制训练机械臂的运动映射为虚拟环境中的物体的运动,并采用虚拟力势场的方法,通过机械臂为患者提供相应的力反馈.最后,利用单自由度康复训练系统对一名健康男性进行了初步的实验研究.结果表明,该系统可以实现康复训练过程中的视觉和力觉交互,为患者提供暗示和帮助,在康复训练机器人领域有一定的应用前景.     

遥操作机器人的新型力反馈算法*

在采用液压挖掘机改造的遥操作机器人双向伺服控制系统中,针对大臂和前臂两个自由度构建力反馈控制算法。以准确地获取从端机器人与环境的作用力,使反馈力能够更好地反映从端工作状况为目的,采用构建干扰力补偿项的方法消除干扰力对反馈力的影响;以机器人转角为输入,以空载时检测到的液压缸作用力为输出,通过径向基函数构建干扰力补偿项,此补偿项可对多种因机器人的机械本体动力学特性产生的干扰力之合力进行补偿。实验证明,在以液压机构为从手的双向力反馈系统中,通过构建干扰力补偿项的方法提高力反馈效果的方法是可行的,采用的带有干扰力     

基于STM32的力反馈型康复机器人控制系统设计

研究了一种基于STM32的力反馈型康复机器人控制系统的设计。采用位置传感器和扭矩传感器检测康复机器人机械臂的位置信息以及机械臂与患者的相互作用力信息,将位置信息与作用力信息送入基于ARM-M3内核的STM32微控制器进行处理,从而实现康复机器人中驱动电机的控制。该系统硬件处理电路包括了扭矩信号的信号调理单元、微控制器控制单元、电机驱动单元以及USB接口单元。经实验验证,本系统可以实现康复机器人的平稳安全的控制。     

经尿道手术机器人研究进展及关键技术分析

经尿道手术由于尿道解剖结构狭窄、内窥镜视野狭小,对医生的技术和经验要求较高,且术后并发症较多,亟需融合机器人技术提高手术质量、减少并发症、缩短医生学习曲线时间．为促进我国经尿道手术机器人的研究和发展,综述了国内外经尿道手术机器人研究现状,并分析了典型的经尿道手术操作,对经尿道手术机器人所涉及的机器人机构设计、力反馈技术、精密运动控制以及手术导航等关键技术进行了详尽的分析．在总结研究成果和分析关键技术的基础上,指出经尿道手术机器人今后的发展趋势和面临的挑战．     

基于网络的力觉临场感的实现

文章利用游戏杆装置进行了遥操作机器人的力反馈控制。控制的关键是如何正确地描述移动机器人与环境之间的作用力,使之正确地反映给远端的操作者,从而有效地完成控制。本文利用“弹簧-阻尼器”系统模型来描述力,并将其映射到游戏杆上,变成操纵方向的约束力。通过采用微软公司的带有力反馈的操纵杆作为力觉提示装置控制移动机器人小车在非结构化环境下顺利运行,验证了力反馈描述方法的有效性。     

基于力反馈技术的毛笔笔道仿真

本文将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种基于力反馈技术的笔道仿真方法.首先通过分析力对毛笔变形的影响机理,采用弹簧-振子模型构建了一种新的毛笔力反馈仿真模型;然后通过计算毛笔模型变形时每个采样点处的笔触形状,得到笔触变化的时间序列,获得完整的笔道,实现力对笔道的动态控制.文中利用Phantom Desktop力反馈设备,成功地实现了具有力觉反馈的笔道仿真.仿真结果表明,该方法再现了传统笔道绘制中通过力触觉控制绘制的过程,有效地增强了虚拟绘制过程的真实感.     

具有虚拟力觉导引功能的机器人网络遥操作系统

为实现机器人网络遥操作系统中从端机器人和被抓取目标接触前的力觉感知效果,提出了具有虚拟力 觉导引功能的机器人网络遥操作系统控制方法．利用单目视觉技术获得末端执行器相对于被抓取目标的位姿信息, 并将此信息转换为操作者相对敏感的力反馈信息,引导操作者为远端机器人系统提供合适的控制命令,控制机器人 达到期望的位姿．利用手腕相机和人工目标搭建了演示实验系统,并分别进行了机器人位置和姿态遥操作控制实 验．实验结果表明,机器人遥操作系统的可操作性和操作效率有了明显提高．     

基于力反馈的脊柱外科机器人系统的设计与实现

本文针对脊柱椎管狭窄症减压手术中椎管壁磨削不安全这一问题,介绍一种基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统,包括监控磨削过程的检测子系统、完成磨削手术操作的运动驱动子系统和再现磨削信息状况的控制显示子系统。利用脊柱磨削手术过程中磨削力的变化特点,提出基于力反馈的脊柱外科机器人控制策略,辅助医生实现安全的脊柱手术操作。最后通过仿真实验和模拟骨实验,验证了此基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统的可行性。     

支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,利用虚拟现实技术实现肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作,提供真实的视觉反馈和力反馈,具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。     

脊柱手术机器人

针对脊柱手术中的椎弓根钉内固定术,为克服医生操作手术时定位精度难以保证、长时间手术易疲劳等问题,设计了一套脊柱手术机器人系统用于辅助实施椎弓根钉内固定术。机器人为5自由度,充分考虑手术机器人对安全性和工作空间有效覆盖的要求,进行了构型设计,并完成了相应的机器人运动学分析。控制系统是由图像导航下的主动控制和基于力传感器的被动拖拽控制两个模式进行控制。主动控制下,医生通过导航系统提供最优钉道的精确位置信息,机器人根据医生的规划路径自主到达手术点;被动力拖拽控制基于导纳控制原理对医生作用在机器人末端执行器的操作力进行映射,并以此形成跟随拖动动作的机器人运动控制指令。针对力拖拽控制的实验验证了机器人在被动拖拽控制模式下能够柔顺地跟踪医生的操作动作。     

基于虚拟3D视觉和力觉交互的SEM遥纳操作系统

为增强纳米操作的交互性,本文结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈与虚拟力觉反馈的遥纳操作平台.为确保虚拟环境能够正确反映真实的纳米操作环境,对虚拟模型的碰撞检测和力觉渲染进行了详细设计;同时在力觉反馈设备和虚拟环境之间引入虚拟匹配环节保证力觉交互接口的稳定,增强主端控制模块的协调性.为实现准确的纳米操作,采用基于兴趣区域的图像特征方法提取探针深度信息,快速建立图像模糊度与探针到基底的距离的关系,实现对探针的闭环控制.最后,利用所述的系统平台以及操作方法,完成了单根ZnO纳米线的转移实验.     

遥操作正骨机器人虚拟手术仿真系统研究

分析了将虚拟现实技术引入医疗机器人系统的重要性，结合本实验室研制的医疗正骨机器人系统提出了一种基于Java3D、视觉反馈和力反馈的遥操作正骨机器人虚拟手术仿真系统．文章介绍了系统的总体结构、工作原理和软、硬件平台，分析了虚拟和现实两个子系统的工作流程，并描述了系统内各主要模块的功能．     

基于液体智能材料的被动力反馈数据手套

磁流变液体是一种液体智能材料,在磁场作用下,其流变学特性能在毫秒级时间内发生剧烈的变化.利用磁流变液体的特殊性能,设计了一种新型力反馈数据手套.详细地阐述了组成该新型数据手套的力反馈装置,包括其原理、结构和控制电路等.在遥操作机器人系统中,利用这种新型力反馈数据手套,操作者能够在本地虚拟环境中,充分获取和控制机器人与环境之间相互作用,实现良好的力觉临场感.     

光纤Bragg光栅力觉传感器在健康医疗领域的应用

在微创手术等现代医疗过程中普遍存在力触觉反馈缺失、健康体征监测系统有待完善和提升等问题，使得力触觉感知成为了机器人领域中热门的研究方向。传统的电学类传感器存在明显的体积大和生物相容性差等问题，难以直接应用于微创手术等场景。光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感技术因其抗电磁干扰能力强、生物相容性高、宽带宽和尺寸小等特点，正被广泛应用于健康医疗领域。主要介绍了FBG力觉传感器的工作原理及其传感特性，详细叙述了国内外基于FBG的力触觉传感器在健康医疗方面的研究现状和应用情况，并展望了光纤光栅式力觉传感技术在健康医疗领域的发展趋势。     

基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法

针对力反馈遥操作中传统人工势场法无法适应于机械臂整体的避障以及在作业过程中操作者难以控制机械臂到达所需位姿的问题,提出了一种基于虚拟力引导的人机协同目标抓取方法。力反馈设备向操作者提供力觉交互。通过结合人工势场法和虚拟夹具,构建管道形虚拟力场,生成实时虚拟力引导,实现协助操作者完成从端机器人的整体避障任务并在完成避障后引导机器人返回预定义路径并趋近目标点。当进行抓取任务时,构建锥形虚拟力场,实现协助操作者操作机械臂到达目标位置和姿态。此外,提出了一种机器人运动限制方法以降低操作者的操作失误对抓取任务的影响。实验证明,该方法能有效提高目标抓取操作的成功率和操作效率。