内窥镜操作机器人结构设计及运动学仿真

机器人应用于腹腔、胸腔等外科手术中,可以提高手术质量,降低医生劳动强度,减少病人痛苦.设计了一种辅助微创外科手术机器人,在机械结构上采用模块化设计方法降低机器人结构的复杂度和缩短设计周期;采用了被动式手腕关节结构使机器人更加符合实际需求.运用几何与解析法相结合的方式求得了机器人运动学逆解,通过灵活工作空间分析表明,该机器人具有足够大的灵活空间以满足实际工作需求.最后通过ADAMS运动学仿真,证实该机器人可以很好地完成所规定的任务.     

用于受限空间下的前列腺针刺手术机器人

为了能够在核磁环境下进行前列腺针刺手术,在满足临床需求的基础上,运用多种类型的超声电机,设计了一种新型针刺手术机器人结构。首先基于RCM原理对针刺模块做了相关改进,增加了压电减摩装置可以减小针刺过程的摩擦阻力;然后通过D-H参数法求解了正逆运动学方程,并用蒙特卡洛法求解了机器人的工作空间;最后通过MATLAB软件对所求得的运动学方程进行了验证,对机器人关节运动性能进行了仿真。通过分析与验证,该机器人满足核磁环境下的设计需求。     

Delta并联分拣机器人的运动学分析及仿真

以典型的3-RSS型Delta并联分拣机器人为研究对象,进行了机器人结构的设计、运动学分析,推导了该机器人工作位置的正逆解方程,采用MATLAB进行了正逆工作位置方程的求解,并对该机器人执行器末端工作空间进行了运动学仿真,得到了并联机器人的工作空间,对Delta并联分拣机器人的运动控制具有较为重要的参考意义。     

遥操作插管手术机器人灵活度分析

提出一种双臂各六自由度插管手术机械人结构,通过对其进行运动学正解算和逆解算,进行机构灵活度分析.通过Matlab仿真灵活度曲线,确定机器人结构参数,并给出机器人工作的灵活工作空间.     

大型冷凝器清洗机器人设计及运动学分析

设计开发了大型冷凝器清洗机器人,该机器人结构简单,易于控制,能够对大型冷凝器进行长期自主在线清洗。建立了冷凝器清洗机器人的运动学模型,进行了正运动学分析和逆运动学分析,解决了关节变量的突变问题。机器人的工作空间能够覆盖整个冷凝器管束的分布空间,具有一定的灵活性。对冷凝器清洗机器人进行了运动学仿真分析,结果表明,该机器人的设计是合理的,能够满足其工作需要,为进一步研究奠定了基础。     

一种可重构模块化机器人的设计与运动学分析

设计了一种结构简单、联接方便的模块化机器人关节结构,每个模块具有统一的机械接口和电路接口,实现了接口的通用化,可以根据实际工作需求自由选择关节模块数目进行机器人的结构搭建,实现在不同工况下,满足相应的机器人所需要的自由度。用旋量理论对该模块组合的六自由度机器人进行运动学求解和工作空间分析,充分证明了模块化关节结构设计的可行性与有效性。     

手指康复外骨骼机器人的结构优化设计

为满足手指功能损伤患者康复的需要,设计了一种基于平面连杆机构的手指康复外骨骼机器人。通过分析仿生手指运动的自由度,建立了机器人运动学模型;以主要机械构件和手指关节转动角度为空间向量元素,求解了机器人的工作空间,在此基础上,得到各机械构件的最佳尺寸,从而完成对机械构件的结构优化设计。仿真实验表明,该机器人能带动手指在一定角度范围进行弯曲拉伸运动,可以满足手指损伤患者的康复训练需求。     

地震救援双臂机器人结构设计与运动学分析

针对地震救援的复杂性、不确定性的问题,提出一种高负载自重比、功能集成的地震救援双臂机器人构型,对具有主从关系的冗余七自由度双臂建立运动学模型,建立驱动空间、关节空间、笛卡尔空间的映射关系,结合虚拟仿真技术分析了其运动学特性。采用概率学中的蒙特卡洛原理,运用MATLAB编程生成地震救援双臂机器人的工作空间云图及其协作空间,结果表明该机器人工作空间和协作空间足够大,可以满足工作要求,具备灵活作业的条件,继而为后续机器人的轨迹规划和实时控制的实现奠定了基础。     

基于速度性能指标的码垛机器人尺寸设计

针对一定工作空间下对袋装水泥装车机器人的结构尺寸进行初步设计,采用机构速度性能指标理论进行优选。在初步设计数据的基础上,通过D-H矩阵建立机器人末端执行器坐标系与笛卡尔坐标系的变换矩阵,得到机器人的运动学方程,获取机器人的工作空间并采用MATLAB进行仿真,初步验证工作空间与实际任务工作空间的正确性,并基于机构速度性能指标进行结构尺寸优选。该方法应用于某水泥粉磨站袋装水泥装车机器人的设计中。     

3P3R型磨削机器人的结构参数计算与优化

针对设计机器人中考虑到灵活空间需要包络整个工件,灵活空间的大小受到机器人结构尺寸与磨削机和机器人的摆放位置影响等问题,提出了3P3R的结构构型,并对该机器人结构参数计算与灵活空间等方面进行研究。首先给出了运用旋量建模方法的运动学分析,后又将待加工的工件模型进行了简化,在总结前人工作的基础上,参考加工实际情况,提出了虚拟球的概念,针对特定的的加工工件设计机器人的尺寸,重点讨论了机器人与砂带机位置参数的计算方法,给出了详细公式推导与计算流程图,对于整个磨削系统的结构计算进行了系统综合,运用蒙特卡洛方法对于机器人的灵活空间进行了验证,并在Matlab平台上进行了编程实现。最后,研究结果证实,该优化算法具有可靠性与实用性;同时这种逆推机器人结构参数并优化的方法也可应用到其他机器人的结构设计中。     

微创条件约束下内窥镜操作机器人运动学

研究基于微创条件约束下具有被动式手腕结构机器人运动学,不但可使医生获取同开放式手术中相同的笛卡尔控制方式,而且为机器人系统控制算法研究及轨迹规划奠定了基础.以自行研制的内窥镜操作机器人为例,结合微创手术特殊的应用环境,对机器人运动学进行研究.考虑人体切口处隔肌厚度和病人呼吸等因素对内窥镜插入点位置的影响,给出内窥镜插入点的确定方法.采用几何及矢量代数方法给出机器人位置正逆运动学解析解公式,采用矢量积法求解机器人速度正运动学,基于微创条件约束给出机器人速度逆运动学.为了验证机器人运动学求解的有效性,对内窥镜插入运动及内窥镜绕插入点旋转运动两种典型运动进行试验,应用试验数据对算法进行分析验证,结果显示了运动学算法的有效性.     

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。     

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.     

腹腔微创手术机器人主从实时控制算法

根据D-H法对腹腔微创手术机器人进行了运动学分析.针对基于运动学反变换法的机器人运动模型,存在超越函数和存在多解,影响主从响应速度的问题.基于微分的思想,将微小时间内位移代替瞬间速度,提出适合手术机器人的主从实时控制算法.通过增加反馈环节消除这种算法的累积误差,提高系统的运动精度.     

微创外科手术机器人关键技术与研究现状综述

微创外科手术（MIS,Minimally Invasive Surgery）机器人技术是近年发展起来的一个新兴的研究领域,该领域集医学、工程等多学科知识为一体,具备很大的研究价值。文中通过对该研究领域一些相关文献进行研究,归纳了微创外科手术机器人技术的特点、发展历史与现状、关键技术以及研究热点分支。针对我国缺乏自主研发的微刨外科手术机器人系统,而国外同类产品价格昂贵的状况,研究自主知识产权的微创外科手术机器人系统对于我国医疗卫生水平的提高具有重要战略意义。     

基于纽结理论的五自由缝合机器人设哥

为了解决临床的微创手术缝合打结成功率低的问题,根据“扭转打结”法理论,设计出适合微创手术缝合打结的机器人系统。通过运用蒙特卡罗（MonteCarlo）方法对系统工作空间进行分析,得出能满足临床微创手术要求的机器人系统的结构参数。     

Operation and Force Analysis of the Guide Wire in a Minimally Invasive Vascular Interventional Surgery Robot System

To develop a robot system for minimally invasive surgery is significant,however the existing minimally invasive surgery robots are not applicable in practical operations,due to their limited functioning and weaker perception.A novel wire feeder is proposed for minimally invasive vascular interventional surgery.It is used for assisting surgeons in delivering a guide wire,balloon and stenting into a specific lesion location.By contrasting those existing wire feeders,the motion methods for delivering and rotating the guide wire in blood vessel are described,and their mechanical realization is presented.A new resistant force detecting method is given in details.The change of the resistance force can help the operator feel the block or embolism existing in front of the guide wire.The driving torque for rotating the guide wire is developed at different positions.Using the CT reconstruction image and extracted vessel paths,the path equation of the blood vessel is obtained.Combining the shapes of the guide wire outside the blood vessel,the whole bending equation of the guide wire is obtained.That is a risk criterion in the delivering process.This process can make operations safer and man-machine interaction more reliable.A novel surgery robot for feeding guide wire is designed,and a risk criterion for the system is given.     

基于形状记忆合金的自主导管导向机器人设计

为提高血管介入手术的成功率和安全性,研制一种用于控制自主导管的由多个形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)驱动器驱动的多节蛇形结构导向机器人。针对SMA驱动的导向机器人结构和原理,提出偏置弹簧尺寸参数的估算方法,使用大挠度理论对导向机器人进行运动学分析,通过积分变换推导出SMA驱动器在已知导向机器人弯曲角度和方向下的输出力和位移,给出精确的导向机器人前端中心位置坐标。在此基础上,进一步推导SMA驱动器的尺寸参数设计计算公式,提出一套系统的导向机器人设计理论方法。利用提出设计方法研制导管导向机器人样机,并在血管模型中成功地进行模拟介入手术试验。研究成果为导向机器人的设计和分析提供了数学模型,完善了导管导向机器人的设计方法和理论。     

基于模块化关节的机器人结构设计和运动学分析

提出三种模块化转动关节,详述它们的结构参数,并用这三种模块化关节装配了写字机器人,对其进行运动参数 计算、运动学分析和写字的模拟实验。结果表明,提出的三种模块化关节在一定范围内能较好地实现模块化机器人的运 动功能。     

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。