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。     

冗余度微创手术机器人的速度加速度分析

为满足微创手术对机器人提出的高平稳性要求,机器人的速度加速度应平滑无突变.考虑球关节结构紧凑的特点,设计出具有冗余自由度的微创手术机器人.根据速度雅克比矩阵进行机器人的正速度分析;基于权重分配原理,运用Lagrange乘子法实现具有冗余自由度机器人的逆速度分析,找到手术工具末端速度与各关节速度的函数关系;通过对速度求导...     

多关节单创口腹腔微创手术机器人设计

设计了一种基于模块化的多关节单创口腹腔微创手术机器人,由机械臂和动力部分组成,机械臂包含一个连接架和两条结构相同的手臂,安装在一个4个自由度的SCARA机器人的末端上。涉及的机器人能够在病人腹腔内部组合,并且采用双臂协同操作,每条手臂(含刀头)具有3个自由度,使得手术操作更加灵活和精确。还对该机械臂进行了正运动学和逆运动学的分析,经过仿真计算表明该机器人针对腹腔可以实现单创口手术的基本动作,且创口直径仅为12mm左右,基本满足腹腔微创手术的操作要求,验证了该设计的合理性和可行性。     

手术机器人及操纵杆控制装置的设计与实现

主要研究一种多自南度手术辅助机器人系统，并重点阐述了一个新型的多自由度关节型机器人示教方式，即操纵杆控制系统。该控制系统可以完全控制机器人末端执行器的空间位置和姿态，方便医生进行更直接、安全的操纵。通过试验验证，操纵杆控制系统适合作为手术辅助机器人的“手把手”示教装置。     

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。     

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。     

基于光学导航的手术辅助机器人快速自标定方法

机器人末端工具TCP点的标定是提高机器人末端工具绝对定位精度的基础,因此研究快速、准确的TCP自标定方法对于手术辅助机器人的顺利应用至关重要。以光学导航为基础,结合并联机构运动学及空间坐标系变换理论,提出了1种可用于手术辅助的机器人的快速自标定方法。该方法为非接触式测量,具有校准快速、操作简便、精度高等优点。结合课题对该方法进行实验验证,实验表明:经过该方法的标定,TCP点的绝对定位精度满足手术要求。     

手术机器人末端执行器械尺寸链分析

手术机器人末端执行器械用于保证手术工具的安装位置,对手术机器人的运行精度有重要影响。对手术机器人末端执行器械进行尺寸链分析,充分考虑形位公差在尺寸链计算中的影响,将形位公差转换为正负公差来参与计算。利用尺寸链正计算原理对各个组成环的精度分配进行验算,利用极限法和均方根法分别进行计算与对比,确认对手术机器人末端执行器械采用极值法进行尺寸链计算可以满足设计要求,并且计算结果相比均方根法更为保守。     

具有形状自适应的欠驱动拟人机器人手指

为了实现使用较少驱动器获得较多的自由度,从而在不增加控制难度的前提下,更好地抓取物体以及增加手的拟人化,需要研究欠驱动机械手指装置。提出了一种新的设计思想,以此为指导设计了一种机械手指装置,并对其主要设计参数进行了详细分析。试验证明,该装置可以作为机器人拟人手的一个手指或手指的一部分,用以实现机器人拟人手较少驱动器驱动较多的手指关节自由度,并具有抓取不同形状、尺寸的物体的自适应性,降低了装置对控制系统的要求。该装置外形与人手的手指相似,结构简单、可靠、易加工、体积小和重量轻。     

超声图像导航微创手术机器人系统的设计

针对前列腺癌发病率高、手术稳定性差以及放射性粒子辐射等问题,提出了超声图像导航微创手术机器人系统。该系统主要由超声波图像导航、手术机器人和空间定位装置3个模块构成。首先,确定了机器人自由度分配与各关节工作范围,推导出机器人工作空间。其次对机器人不同位姿下的关键零部件进行力学分析。最后通过激光追踪仪精度测试实验,验证了系统中电磁定位仪和机器人机械精度,并进行了误差补偿。实验结果表明,该系统的误差小于1 mm,满足前列腺癌近距离粒子放射性治疗手术的需求。     

微夹钳技术发展现状及应用研究

微夹钳是最典型的微执行器,它可以充当机器人手爪,配合各种多自由度驱动装置成为微机器人。微夹钳单元技术与微装配、微操作、微焊接、微封装等系统技术紧密地联系在一起。由于它的重要性和广泛的应用,近年来已成为微机械领域研究的热点。本文首先介绍了微小领域中物体夹持的物理背景,阐述了粘附力的规律和解决方法;详细介绍了已有的微夹钳的研究进展状况,结合作者的科研工作,阐述了有代表性的几种微夹钳的工作原理及工艺制作方法;指出了微夹钳的发展和功能优化方向,以期对微夹钳的研究工作起到一定借鉴作用。     

Development of a microgripping system for handling of microcomponents

This paper reports the development of a semi-automatic microgripping system that consists of a microgripper and an x, y, z positioning system. The microgripper has two 1DOF fingers fabricated by an amorphous, soft magnetic material and is actuated electromagnetically. The microgripper is embedded in the 3DOF positioning system with the help of a stainless steel holder under an angle, which is manually adjusted, in respect to the working field. The position of the microgripper is observed optically and by three digital indicators¹ from Mitutoyo, which offer easy reading and continuous position tracking. All axes are actuated by step motors which allow precise positioning of the microparticles under manipulation. The microgripping system was tested in pick and place cases, under an optical microscope in atmospheric conditions. Optical fibres (125 μm in diameter) and bonding wires (50 μm in diameter) were handled. The temperature on the actuator, on the microgripper fingers and on the microgripper tips during manipulation was measured using K type (Ni/CrNi) thermocouples. The gripping force was evaluated as well.     

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。     

基于四元数的手术机器人圆弧轨迹规划

为提高七自由度手术机器人末端执行器空间圆弧作业任务的位姿轨迹精度,系统提出采用四元数代替原有的齐次坐标矩阵描述末端执行器的位置和姿态,并采用梯形速度规划生成平滑连续的位姿轨迹,实现等夹角姿态均匀渐变。以在研究的颅颌面七自由度冗余手术机器人为原型,通过三次B样条曲线对反解后的关节轨迹进行插值处理,生成各关节速度、加速度连续平滑的轨迹规划曲线。仿真结果表明,算法符合手术机器人的插补精度和连续性要求,具有实际推广价值。     

MEMS微装配机器人系统的研究

首先总结了国内外微装配机器人系统及其关键技术的研究现状,并列举了部分应用实例。然后在分析微装配特点的基础上,提出了在显微视觉、多传感器信息融合控制以及微夹持器设计的解决方案。最后展望了微装配机器人及其关键技术的发展趋势。     

滚动接触柔性连续体机器人的设计与运动能力分析

针对航空原位检修领域对机器人在复杂、狭小空间的作业需求,基于滚动接触原理设计了一种新型的柔性连续体机器人,解决了连续体机器人轴向刚度需求与运动柔顺性之间的矛盾。对连续体机器人单元柔性关节和整体系统进行了详细分析,根据机器人的冗余自由度特点设计了主动运动与被动运动两种运动策略。对机器人单元关节的力学仿真结果表明,该柔性关节转动刚度适宜,轴向刚度较大。机器人长600 mm,最大弯曲角度大于360°,最小弯曲半径40 mm;实验结果表明该机器人运动柔顺,具备良好的环境自适应能力。     

颅颌面骨畸形整复手术中辅助机器人的应用

颅颌面骨畸形整复手术由于解剖结构的复杂性和治疗目的的特殊性,必须以最小的创伤完成精确的操作,而机器人可以实现精确、稳定的三维空间运动,能避免由人手持器械不稳定造成的误差和损伤,并具有微创等优点。在已有的光学定位正颌外科导航手术技术路线基础上,提出了应用六自由度机器人实现截骨、钻孔等辅助操作的方法,并进行了实验,取得了较好的效果。     

基于惯性冲击原理的3DOF微小型机器人系统

提出一种由4组压电陶瓷驱动器驱动的微小型移动机器人系统.基于惯性冲击原理,4组压电陶瓷驱动器在不同形式锯齿波电压的驱动下,能够实现机器人2个平动运动自由度和一个旋转运动自由度.基于DDS波形发生原理,为机器人设计了由C8051F040高速单片处理器、FPGA和功率放大器所构成的机器人驱动控制系统.机器人运动性能测试试验表明,提出的微小型移动机器人统具有亚毫米级的运动速度和亚微米级的运动分辨力,可以作为微操作系统中的移动式精密定位机构.