基于非结构模型机器人力控制稳定性分析

本文将机械手和接触环境作为一个整体来考虑，采用非结构模型分析了机器人力外环控制的稳定性，得到了机器人力控制系统稳定操作的界限，实验结果表明这种分析方法的合理性。     

基于非结构模型机器人力控制稳定性分析*

本文将机械手和接触环境作为一个整体来考虑，采用非结构模型分析了机器人力外环控制的稳定性。得到了机器人力控制系统稳定操作的界限，实验结果表明这种分析方法的合理性。     

基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计

传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响,导致系统控制精准度较低,为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统;设计上肢康复机器人交互控制系统结构,选取双串口12CSA60S2系列单片机作为下位机控制核心模块,利用椎齿轮改变驱动力方向,设计机械臂肘部结构,通过同步带传动,将器件隐藏于空手柄中;设计机械臂腕部结构,满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求;选择箔式应变片BF350力传感器,设计电阻应变片桥接电路,处理传输信号;构建机器人目标阻抗模型,设计基于力阻抗控制策略,调节位置、速度和关节;为改善奇异位形情况,在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到,实现角速度精准输出,完成系统控制;由实验结果可知,该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致,满足系统设计需求。     

基于神经网络的水下机器人力控策略研究

水下机器人抓取物体时,物体与指尖存在力控制问题,但是由于动力学模型、被抓取物体位置和刚度的不确定性,采用传统阻抗控制方法不具有鲁棒性,因此对基于位置的神经网络阻抗控制方法进行了研究,构建了基于位置的神经网络阻抗控制器,采用三层前向反馈神经网络构建补偿器结构,基于BP算法和Delta学习规则,得到了反向传播的更新规则;该神经网络控制系统具有很强的自适应性,可以很好地完成机器手抓取物体的任务;在水下机器人单手指上分别对软性材料(泡沫)和硬性材料(木块)施加5N恒定力进行反复的实验,结果表明,该方法具有较好的补偿和控制效果,为水下机器人的准确抓握和合理操作奠定基础。     

基于降阶位置/力模型的机器人神经网络控制

双足机器人的双脚支撑期是实现其步行运动的重要过程,然而耦合的位置/力控制难以保证其稳定平滑运动.本文提出了一种基于降阶位置/力模型的机器人控制策略,整合了位置控制子空间模型和力控制子空间模型,通过模型降阶减小了控制器设计的复杂度,并采用神经网络自适应控制方法综合多控制目标,实现了双足机器人的平滑稳定控制并有效地抑制了系统外扰和参数不确定性的影响.最后,仿真算法验证了该控制方法和模型的有效性.     

基于刚软耦合模型和粒子群优化的手术机器人骨钻削力控制

脊柱椎体的多层复合结构和易热损伤特性要求手术机器人在对椎弓根进行骨钻孔时需精确控制其轴向钻削力。然而人的个体差异和脊柱-软组织构成的刚软耦合结构会使得通用型力控制器的控制精度不足,手术安全性降低。本文旨在提高轴向钻削力控制的精度。首先建立了基于质量、弹簧和Maxwell黏弹性单元的脊柱-软组织系统的刚软耦合模型。然后在离体羊脊柱上进行了应力松弛实验,并基于实测力数据对模型参数进行了标定。采用PID（比例-积分-微分）控制器来调整骨钻的轴向进给速度,并基于标定后的刚软耦合模型的传递函数,使用动态权重的标准粒子群算法整定控制器参数。最后,仿真证明闭环控制系统具有较好的动态性能和鲁棒性。离体羊脊柱骨钻孔力控制实验结果表明,轴向钻削力的阶跃力响应稳态误差小于0.15 N,相对力控制误差小于3%,且无明显超调;正弦力响应幅度在频率为3.49 rad/s时衰减到-3 d B,闭环控制系统具有较好的控制带宽。所提方法的力控制精度和控制带宽能够满足手术机器人执行骨钻削时的力跟踪要求,提高了机器人自动骨钻削过程的安全性。     

手术机器人夹持力检测技术进展

夹持力检测是医疗机器人进行手术的必要手段。在手术过程中,通过检测夹钳的夹持力,然后反馈给医疗机器人控制系统进行调整操作,可避免因夹持力过大对患者人体组织造成不必要的损伤。本文回顾了近6年有关医疗机器人夹持力检测方面的研究情况,总结了目前6种医疗机器人夹持动作力检测的实现技术,并对其原理、性能、应用前景进行了对比,最后对手术机器人未来的发展做了展望。     

并联机器人力感觉系统的研究

提出了在 6自由度并联机器人的 6个连杆上集成拉、压力传感器 ,组成力感觉系统 ,建立 6个传感器受力与动平台所受 6维合外力的解析关系 ,从而通过检测 6个传感器的受力就可以确定并联机器人动平台的受力情况。在分析国内外并联力感觉系统的基础上 ,着重介绍了该力感觉系统的集成和力学建模过程 ,并给出了实验结果。     

基于开放式机器人力控制系统的研究

针对未知环境下机器人主动柔顺控制在工程中实现的问题。构造了一个开放式机器人力控制系统。对系统中硬件和软件体系结构进行了分析，结合伺服驱动器的不同控制模式，给出了一种实用的力控制硬件实现形式。实验结果表明，该系统能够满足高精度力控制操作的性能要求。     

基于核磁图像导航的前列腺针刺手术机器人

在对核磁共振图像(MRI)导航手术机器人设计需求进行分析的基础上,设计出一套可用于完成经会阴前列腺近距离粒子放射治疗手术的机器人系统.该系统具有5个自由度,通过核磁兼容气缸和超声波电机混合驱动,自主实现针体位姿调整和针刺操作.根据机器人系统动力学分析进行了驱动气缸选型.最后通过核磁兼容性实验和针刺精度实验,验证该机器人系统能够满足核磁兼容性要求,针刺精度为0.91mm.     

基于虚拟弹簧模型的柔性针穿刺仿真研究

在分析柔性针受力和挠曲的基础上,建立二维空间上柔性针穿刺软组织的虚拟弹簧模型,得到针体和针尖轨迹的数学模型。使用Matlab工具软件对针尖轨迹在不同情况下进行仿真。仿真实验结果表明,柔性针弹性变形量对针尖走向影响较小,影响针尖走向的主要因素是纵向控制坐标和针座与水平线初始夹角,且两者的叠加效应最终影响柔性针走向,可以为机器人辅助针穿刺操控提供理论基础,结合软组织变形研究,能够实现柔性针穿刺的轨迹规划和避障运动。     

针穿刺软组织变形有限元仿真

为了提高机器人辅助针穿刺精度,提出一种对软组织变形分析的准静态有限元法.该方法基于针受力下软组织变形机理,将软组织变形的连续动态过程分解成离散的准静态过程;采用重叠单元法在ANSYS中建立了软组织变形的二维和三维准静态有限元模型,并进行了仿真实验.最后通过实验结果验证了该方法的有效性和可行性.     

基于图像形态学的软组织变形测量方法研究

为了准确测量针穿刺过程中的软组织变形,提出了一种基于图像形态学的软组织形 变测量方法。阐述了边缘检测、图像膨胀和腐蚀等算法,获取组织内标识物增强图像。提取标识 物重心位移,并存入测量矩阵M 中。搭建了包括精密运动装置、工业相机、光源和嵌入标识物的 水凝胶假体等组成的组织形变测量平台。实时采集了穿刺过程图像,并利用形态学算法测量了组 织内标识物的位移。经误差补偿后,组织形变测量误差小于0.7 mm。该方法可提高机器人辅助针 穿刺手术精度。     

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。     

一种基于弹簧振子模型的颅面软组织仿真算法

软组织仿真研究是利用计算机技术对真实软组织进行模拟以便研究,为医学工作者提供辅助和帮助科研工作者更好地进行虚拟手术。这方面的研究在国外已经较为普及,在国内尚处于起步阶段。软组织仿真算法已有多种成熟模型,其中较为代表性的有弹簧振子模型（MSS）和有限元模型（FEM）。在参阅了前人的研究基础上,选取了弹簧振子模型作为软组织仿真的物理形变模型,并对仿真算法进行编码和仿真实验,进而对实验效果进行分析,并提出改进之处。实验发现基于弹簧振子模型的软组织较好地实现了形变仿真的效果。     

一种基于逐次逼近法求解软组织力平衡的方法

进行腹腔微创手术操作时,为获得软组织变形的图形反馈,需要进行软组织的力平衡求解.建立了胆囊及其附属管路的几何模型,对其赋予弹簧一质点力学模型,提出了一种基于逐次逼近法的力平衡算法求解软组织力平衡.该算法编程量较少,易于实现,仿真实时性也较好.仿真实验表明,该算法可以产生较为真实的软组织图形反馈,可以实际应用于软组织仿真...     

基于局部动态模型的软组织形变建模与仿真

选择人体软组织模型作为研究对象,针对医学触诊训练的特点,提出了可变区域的局部质点-弹簧/阻尼器(ALMSDM)模型.该模型具有位置可变及区域可扩展的动态特性,改善了以往文献中局部建模方法静态限定的局限,解决了全局“面模型”形变恢复能力差及数据量大的问题.结合ALMSDM的特点,提出了顶点法向量局部更新与预计算策略,从而极大地提高了系统的实时性.从形变恢复能力、反馈力及实时性3方面对不同模型下的系统性能进行了评价,结果显示所提算法能够保证虚拟软组织形变仿真的精确性与实时性,具有可行性与通用性.     

一种基于物理意义的快速力反馈形变模型及实时力觉响应算法

虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键.文中提出了一种新的基于物理意义的形变建模方法,不仅计算速度快,满足力反馈的实时性要求,而且能够同时保证接触力和形变的计算具有较高的精度,适用于具有较大变形量的柔性物体的力反馈计算,满足精细作业对虚拟现实系统的要求.