微创外科机器人夹持手操作力感知机构研究

针对微创手术机器人,研究设计了载有力感知功能的从手夹持手,介绍了夹持手末端柔顺机构力觉传感器的设计、驱动装置及驱动方式的选择,并基于ANSYS软件分析了微创手术机器人夹持手在夹持过程中传感器形变与受力的关系。仿真及分析结果表明传感器的形变与受力基本趋于线性关系,为进一步研究手术机器人夹持手的力感知与力反馈的控制奠定了基础。     

具有微力感知的眼科手术器械的设计与实现

针对眼内显微手术过程中器械与组织器官之间作用力微小、不易感知,且过大的操作力会造成组织损伤甚至撕裂等问题,设计一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的微力传感器。在建立FBG反馈波长变化与力的关系基础上,探讨了温度对波长变化的影响,提出了温度补偿方法。利用自行研制的微力传感器标定系统进行传感器标定试验(精度0.42 mN)。将所研制的微力传感器集成到眼内手术镊末端,对离体猪眼球进行了连续环形撕囊操作试验。通过对19组数据分析,得到最大撕囊力的平均值为22.43 mN。研究对眼科手术的精准操作和手术机器人进行微力控制奠定了基础。     

基于共享控制的人机灵巧力触觉交互系统设计与实现

人能够在复杂感知的相互协调下做出决策并完成灵巧操作。将视听觉和力触觉等不同模态相融合,可以提高操作者对虚拟场景或远程环境的感知,进而改善操作效果。如何协调人的操作和虚拟环境中目标机器人系统的自主性,则是人机交互中的一个关键问题。为此,本文基于Unity3D引擎建立了虚拟场景,并实现了omega.7力反馈平台与虚拟场景之间的通信。进而,创建了基于碰撞检测的虚拟距离传感器,实现了虚拟场景中目标机器人对周围环境的探测。然后,设计实现了人机力触觉交互共享控制算法,将人的智能决策与灵巧操作优势同目标机器人的自主算法相融合,使得目标机器人系统的控制权限可以在人手操作和机器人自主算法之间连续平滑转移。由此,实现了人与虚拟环境和目标机器人之间功能多样、场景逼真的视听觉和灵巧力触觉多模态交互,从而为医学、康复、军事、娱乐等领域中的人机交互提供了一种解决方案。     

新型解耦和各向同性五维力传感器性能分析

介绍基于并联4-SPS&1-UPU结构的新型机器人五维力与力矩传感器的结构特点,并分析计算了其力与应变之间的转换关系及其力各向同性,为该五维力与力矩传感器的设计和使用提供了理论依据,分析计算结果表明该传感器是力与力矩解耦和各向同性的。该传感器采用弹性铰链替代球铰和虎克铰,具有结构灵巧、工艺好等优点,可应用到机器人手指和其他使用多维力与力矩传感器的场合。     

眼科显微手术机器人研究进展及关键技术分析

部分眼科手术由于人类生理颤抖及精细操作限度,手术成功率较低,成功完成手术任务必须融合机器人技术。为促进我国眼科机器人技术的研究和发展,在论述眼科机器人研究意义的基础上,总结国内外眼科手术机器人的研究进展。对研究眼科机器人所涉及的机器人机构设计、微力感知与控制、眼组织的生物力学建模、约束空间运动规划、精密运动控制等关键技术进行了详尽的分析。在总结角膜移植手术机器人研究成果及分析眼内手术机器人关键技术的基础上,指出今后的发展方向、研究思路和面临的挑战,包括末端操作器的集成、新型手术器械的开发等,阐述将眼科手术辅助机器人应用于临床仍需要解决的问题。对于医疗外科机器人及相关的研究工作,具有一定的指导意义。     

基于力觉信息的工业机器人力跟随研究

随着机器人智能化要求的不断提高,需要工业机器人作业可同时满足机器人末端接触力和位置期望跟踪控制,以期具有更好的顺应外部环境的能力,提高作业效率和质量.为此,文中搭建了基于力传感信息的工业机器人力/位控制试验平台,通过在机器人末端安装六维力传感器,并在不同位姿建立机器人重力补偿系统,提出了基于力传感信息的力/位控制算法,完成了基于力传感器机器人末端的力跟随试验.通过试验证明了机器人能够根据力传感器反馈的信息实时地对末端位姿进行调整,实现了顺从外力的功能,同时验证了以此进行的力跟随控制算法的正确性和合理性.     

柔性仿生手指关节的触觉力/角度感知

柔性仿生机器人的感知功能实现需要传感器可集成且具备一定的柔性，否则由于顺应性不足很难得到良好应用效果。在本文中，作者将柔性仿生手指作为应用载体，探索一种基于液态导电金属的柔性触觉力/应变感知纤维，可完全贴合载体，同时实现手指指尖触觉力和关节角度两个物理量测量。具体来说，本文将液态导电金属注入到一定长度的预制硅胶软管替代常规的微流腔道制作，进而形成管状且可任意变形和布局的柔性传感纤维，实现检测不同的变形物理量（本文中利用其力和应变感知性能），该方法在保证器件柔性和功能性的前提下也极大地降低微流腔道工艺的复杂性与繁琐性。最后，测量实验结果表明，基于液态导电金属的柔性传感纤维可嵌入并完全贴合柔性手指结构，并实现对手指的指尖触觉力感知（约1 600 kPa）和关节角度变化（约60°）同时感知及某一特定力/角度下的准确跟踪，展示了其作为柔性感知单元，可应用在更多类型的柔性或软体类应用载体的巨大潜力。     

机器人力觉示教的力控制及仿真分析

针对机器人传统示教方式逐渐无法满足复杂工业生产需求的现状,提出了一种基于六维力传感器的机器人力觉示教,并介绍了其系统组成。结合一些经典力控制方法及力觉示教实际,对机器人力觉示教的力控制系统展开研究,提出了基于速度的主动柔顺控制策略,从理论上建立了机器人力觉示教时末端工具受力和力矩的运动控制算法。通过Adams仿真软件,对机器人的力觉示教运动进行了仿真分析,最终结果表明该控制算法能够有效地实现机器人力觉示教控制,使力觉示教更加主动灵活,更好地满足复杂工业生产的工艺要求。     

基于LabVIEW的手术机器人从手夹持力监控分析系统研究

以手术机器人从手机构为对象,研制了手术机器人从手夹持力信号数据采集系统。在末端夹持手指安装了应变传感器。传感器采集的加持力信号传递给以NE592为核心的信号处理电路进行处理,将处理过后的信号传递给数据采集卡进行数据采集并通过串口接口上传到计算机;计算机监测系统软件由虚拟仪器开发平台LabVIEW完成,实现对采集卡上传的数据进行监控分析;在LabVIEW中调用Matlab Script节点,实现LabVIEW与Matlab的混合编程。实验表明,该采集系统能够很好地完成手术机器人从手夹持力信号数据采集任务,为手术机器人从手其他的深入研究提供了可靠的平台。     

新型灵巧手指六维力传感器参数设计方法研究

研究机器人力传感器性能与其结构参数关系，对机器人力传感器结构参数的合理选择有重要意义。提出了一种以等平台Stewart机构为原形的新型机器人灵巧手指六维力传感器，基于对其位移刚度椭球和扭转刚度椭球的分析，分别定义了其位移刚度和扭转刚度各向同性性能指标，并以性能图谱的形式给出了性能指标与结构参数关系，为基于各向同性性能的灵巧手指六维力传感器的结构优化设计提供了理论依据。     

Direct measurement of tapping force with a cantilever deflection force sensor

An experimental set up dedicated to the measurement of atomic force microscope tapping force was developed. In the set-up, a standard TappingMode™ probe cantilever was used to tap another cantilever equipped with its own low noise and high sensitivity deflection detection system for force measurement. The amplitude and phase change of the tapping lever as well as the deflection of the sensing lever were simultaneously recorded as a function of tip/surface separation. Since the deflection of the sensing cantilever reflects the average force over one interaction cycle, we measured the total average force quantitatively after calibrating the spring constant and deflection sensitivity of the sensing lever. Considerable effort was made to achieve the same force curve in the tapping force measurement as occur during imaging of conventional samples such that the detected tapping force reflects the same interaction of the imaging process.     

虚拟仪器及其在切削力测量中的应用

本文根据虚拟仪器的发展背景,详细介绍了虚拟仪器系统的软硬件组成,并根据硬件组成的不同对虚拟仪器进行分类,然后综述了虚拟仪器的发展现状和未来的发展趋势。结合切削力测量在切削数据采集和分析以及切削机理研究和切削过程监测中的重要性,简要论述了虚拟仪器在切削力测量应用中的优越性,并归纳总结了利用虚拟仪器在切削力测量中所做的研究和发展现状。     

Design and application of the ice force sensor based on fiber Bragg grating

Ice load is one of the most dangerous factors which threaten the health of offshore structures in cold area. The ice-loading model experiment is an effective method to identify the ice load and to evaluate its influence towards structures. Fiber Bragg grating (FBG) with advantages of reliability, durability and high accuracy, has become one of the most popular sensing element for structural health monitoring and intelligent materials system. In this paper, a novel FBG ice force sensor is presented and applied in the tests of ice loading on bridge pier model. Its sensing property is theoretically analyzed and calibration experiments are conducted. The research results demonstrate that the FBG-based ice force sensor has advantages of small size, high precision and low influence on the structure, showing great prospect for measurement of ice force in model test.     

气浮式空间力矢量测量方法研究

提出了基于气浮测力的力矢量测量方法,设计了一维气浮测力模型和气浮式力矢量测量平台模型,推导得出了空间力矢量的求解公式,研制了气浮式空间力矢量测量平台样机。实验结果表明:沿坐标轴方向加载时,其他坐标轴方向测量值均为零,这表明气浮式测力平台测力时不存在维间耦合现象。三维空间内力矢量测量误差结果如下:力的相对误差为0.2%,力的方向误差为0.5°,作用在气浮平台上力的作用点位置坐标误差为±0.05mm。     

Hybrid model- and signal-based chatter detection in the milling process

Chatter causes machining instability and reduces productivity in the metal cutting process. It has negative effects on the surface finish, dimensional accuracy, tool life and machine life. Chatter identification is therefore necessary to control, prevent, or eliminate chatter and to determine the stable machining condition. Previous studies of chatter detection used either model-based or signal-based methods, and each of them has its drawback. Model-based methods use cutting dynamics to develop stability lobe diagram to predict the occurrence of chatter, but the off-line stability estimation couldn’t detect chatter in real time. Signal-based methods apply mostly Fourier analysis to the cutting or vibration signals to identify chatter, but they are heuristic methods and do not consider the cutting dynamics. In this study, the model-based and signal-based chatter detection methods were thoroughly investigated. As a result, a hybrid model- and signal-based chatter detection method was proposed. By analyzing the residual between the force measurement and the output of the cutting force model, milling chatter could be detected and identified efficiently during the milling process.

     

双层预紧式多分支六维力传感器及其结构稳定性分析

提出一种双层预紧式多分支六维力传感器结构,并对其结构稳定性及工作有效性进行分析。由于所提出传感器采用单向约束的球面副,为保证结构稳定必须使传感器各测力分支在测量过程中始终受压,因此在使用之前需要对传感器施加一定的预紧力。应用凸分析理论确定出该类型六维力传感器可行的分支数目。通过对传感器静力平衡方程求解,将测力分支所产生的反作用力分为两部分,方程特解部分由六维外力产生,而通解部分只与预紧力有关;通过线性变换减少了通解中待确定参数的个数,并推导出外力在量程范围内时满足所有测力分支受压的预紧力确定方法。给出双层七分支和八分支结构六维力传感器预紧力的确定实例。研制出双层七分支结构六维力传感器样机并进行试验研究,试验结果与理论计算结果一致,从而验证了理论分析的正确性。     

基于材料磁特性的结构疲劳损伤磁测方法研究

结构疲劳损伤测量和评估方法的研究是一个难点。由于疲劳损伤伴随材料磁特性的变化,且磁测法测量简单方便,所以利用材料磁特性测量和评估结构的疲劳损伤具有实际意义。以Q235钢为试件,通过构建疲劳损伤磁测试验平台,研究了循环应力下,基于磁滞回线的结构疲劳损伤磁测法。结果表明,疲劳损伤不同,磁滞回线也不同。提取磁滞回线的矫顽力H_c和剩磁B_r作为特征量进行分析,结果显示,试件失效前的疲劳过程大致分为两个阶段:首先是H_c和B_r的快速增大阶段,该阶段的H_c和B_r对疲劳损伤的灵敏度较高;然后是H_c和B_r的变化缓慢阶段,该阶段的H_c和B_r对疲劳损伤的灵敏度较低。最后分析了H_c和B_r与疲劳累积损伤D的变化关系,能够为结构疲劳损伤的定量评估及在线监测技术的研究提供基础。     

基于虚拟样机的风力作用下过山车动态性能研究

研究基于虚拟样机技术在不同风力下过山车的动态性能.提出了风力的设置方式,将风速变量引入风力模型.分别在两种不同的自然风风速条件下对过山车进行了动力学仿真.分析了速度、车厢之间连接力及轨道对车轮的约束力的变化情况.通过实验研究,获得了过山车安全的横风风速范围.     

血管介入机器人无线力检测模块设计

力觉信息是血管介入手术中不可或缺的重要因素,极大地影响了手术的精准程度与安全性。针对血管介入机器人设计了一种力检测模块,对导管导丝驱动过程中推进阻力与旋捻扭矩进行测量。通过有限元仿真对设计的弹性体进行静力学分析并确定合适的结构尺寸;将电压信号放大滤波后进行采集,通过蓝牙实现远程无线传输;最后,对力检测模块进行静态标定实验,采用卡尔曼滤波算法对采集信号进行滤波处理。实验结果表明,该力检测模块具有良好的线性度。