脑外科机器人结构分析与参数优化设计

为实现脑外科机器人在脑外科手术中辅助医生进行精确导航定位,进行了机器人结构灵活性及手术空间要求的研究.首先,研制了一种五自由度脑外科机器人结构,利用D-H方法计算了机器人运动学的正反解方程.其次,运用MATLAB软件对机器人的工作空间、灵活性及手术空间进行了可视化仿真,仿真的结果表明该机器人结构可以用来辅助医生选择最佳手术路径,并以上述分析为依据提出了一种机器人结构参数优化设计的方法.最后通过手术模拟试验验证了所设计的机器人灵活性满足脑外科手术要求.     

Path planning in multiple obstacle areas for omni-directional mobile manipulators based on the APFIGA

为解决机器人在多障碍区的路径规划问题,提出了一种基于由遗传算法改进的人工势场法(APFIGA)的全方位移动操作机器人路径规划方法.该规划方法通过在可穿越的障碍区添加障碍物穿越系数来鼓励机器人走捷径,进而提高其路径优化能力;利用当前点邻域内势场强度信息,结合遗传算法确定全方位移动操作机器人的运动方向及速度,并引入机器人速度及移动障碍物速度的影响,得出势场强度下降最快的路径,提高方法的动态环境规划能力.该方法能克服机器人在障碍物附近易于抖动的现象,通过在斥力势中添加与目标距离成正比的系数项解决目标不可达问题,并利用填平势场跳出局部极小.仿真与实物实验结果验证了所提出路径规划方法的正确性和有效性.     

仿人机器人运动规划研究进展

在分析仿人机器人运动规划特性的基础上,对仿人机器人运动规划涉及的路径规划和步态规划两大问题及其典型方法进行了阐述和分析.对基于博弈论思想的离线足迹规划和基于传感信息融合的在线滚动路径规划两种路径规划策略进行了剖析,同时对几何约束法、模糊逻辑法、神经网络法、遗传算法法、自然步态法等5种常用的离线步态规划方法和3类在线姿态调整及控制方法即基于动力学模型的方法、基于倒立摆模型的方法、不基于模型的方法的算法思想和实验应用进行了分析与评价.最后对仿人机器人运动规划评价方法和运动规划研究的发展进行了讨论.     

机器人辅助无框架定位脑外科手术系统

研制了机器人辅助无框架定位脑外科手术系统,该系统可以在CT和MRI图像上实施病灶以及头颅的半自动分割,并将分割结果重构为三维模型,此模型可以进一步应用于虚拟手术规划及手术实施。它提供的三维组织模型清晰准确,手术路径精确稳定,从而提高了手术的效率和质量,降低了手术的费用。该系统在多例临床手术中获得了良好的效果。     

基于遇障速度法足球机器人的路径规划

提出了机器人在动态环境下的路径规划方法。这种方法基于机器人运动速度信息制定的避障策略。通过遇障速度的几何变换产生可达避障速度，从而确定运动路径上潜在的障碍物。同时，还推导了机器人路径搜索树网格算法。足球机器人仿真比赛表明，这种方法适用于动态和静态障碍物的避障。     

脑外科立体定向手术中标记点的自动检测与定位

用图像处理和计算机视觉技术研究了脑外科立体定向手术中标记点的自动检测与定位,提出了下述检测与定位方法:首先为提高检测准确率设计A、B两类具有特殊纹理的标记,然后,检测B类和A类标记点并基于极线约束搜索缺失的A类标记点,最后进行标记点的双目匹配和三维重建.通过实验测试了该方法的检测准确率和定位精度.结果表明,该方法的标记点误检率为0.08％,漏检率为零,每对图像的平均处理时间小于200ms,标记点的平均定位误差小于0.55mm.该方法简化了脑外科立体定向手术的图像注册过程,而且通过跟踪头部标记点可以在线更新注册.     

多移动机器人负载均衡任务规划算法

研究了多移动机器人探测多个目标位置的任务规划问题,提出了基于移动吸引子分组的任务规划算法.移动吸引子的数目等于机器人的数目,任务规划的目标是均衡各机器人的探测路径长度.该算法通过正交遗传算法确定移动吸引子的坐标,利用移动吸引子确定未探测任务的分组,将不同的任务组分配给不同的机器人.算法的计算时间复杂度低,适用于动态环境下多移动机器人系统的任务规划.对测试数据的实验证明了该规划算法能实现多个机器人的均衡规划,规划结果较四个代表性算法具有明显的优势.     

雕刻并联机器人刀具导向期望加工位置研究

为了增强雕刻并联机器人对其末端执行器位置监测以及对其工作环境、状态的主动认知的能力,引入了双目主动视觉的思想,建立了一种新型的基于圆形轨道的双目主动视觉监测平台,实现了并联机器人对空间工作环境的监测,并研究了在双目主动视觉监测平台下使并联机器人将刀具导向期望加工点的方法.研究结果表明,利用视觉信息解决了雕刻并联机器人导向矢量的确定问题,为机器人工作路径自规划提供了一种新方法.     

储罐探伤爬壁机器人全遍历路径规划方法

储罐探伤爬壁机器人全遍历路径规划要求机器人高效遍历储罐外壁全部无障碍物区域。结合邻接矩阵、路径选择函数,提出一种单元分解算法并应用于爬壁机器人路径规划中。首先,将爬壁机器人的工作环境简化为二维平面,并通过分析漏检面积确定机器人遍历基本路径;接着,建立栅格环境,对每个栅格赋予x_i值以表示其栅格状态;其次,采用矩形分解法将工作环境划分为若干子区域,通过图的深度优先搜索算法和邻接矩阵确定各子区域的衔接顺序;最后,在子区域的遍历和切换过程中,引入方向函数y_i来判断爬壁机器人是否陷入死区,结合x_i值提出路径选择函数f_i以引导爬壁机器人快速逃离死区。在虚拟环境中进行了仿真实验,仿真结果表明,该方法不仅能引导爬壁机器人以高覆盖率和低重复率遍历工作区域,而且能快速地逃离死区。全遍历路径规划的实现拓展了爬壁机器人在检测储罐罐壁中的应用。     

基于虚拟安全操作平面的机器人粒子植入规划方法与实验研究

采用机器人辅助医生完成粒子植入手术,其机器人末端定位精度、安全操作性能以及自动化程度,对临床应用有非常重要的意义。本文在搭建了粒子植入机器人实验系统的基础上,研究了机器人位置闭环控制算法,并提出了一种基于虚拟安全操作平面的粒子植入规划方法,该方法避免机器人操作事故和减小手术时间、能耗。结合虚拟安全操作平面策略、Hopfield神经网络最短路径搜索以及6步循环粒子植入运行程序这3个过程,设计了安全可靠、人机协助的智能化前列腺粒子植入机器人控制系统上位机控制软件。完成了粒子植入精度评估实验,粒子在x向放置精度相对较高,在y向和z向位置误差分别为0. 25mm和0. 34mm,粒子整体的放置精度误差为0. 84mm,粒子植入操作时间(和医生对比)减小了60%左右。     

包装搬运机器人运动轨迹优化设计

目的为提高包装搬运机器人的运动精度,提出基于改进S型曲线的包装机器人轨迹曲线的规划方法。方法首先分析包装搬运机器人的工艺要求,以码垛机器人为研究对象,重点讨论轨迹规划问题,采用改进S型曲线实现了码垛机器人轨迹规划。为进一步提高机器人运行效率,基于遗传算法对整个运动过程所需时间进行优化并给出了具体优化过程。最后,搭建实验平台并进行相关实验研究。结果实验结果表明,基于所述轨迹规划方法,码垛机器人的重复定位精度可以达到0.5 mm,运动过程无速度和加速度突变,机器人运行平稳。结论该控制系统有效提高了包装机器人的运行效率,对于机器人稳定可靠运行具有重要意义。     

基于S型曲线的包装堆垛机器人轨迹规划

目的为了保证包装堆直角坐标堆垛机器人系统能够平滑、稳定、高速运行,避免机器人出现速度、加速度的突变,并对机器人轨迹进行规划。方法首先分析直角坐标机器人的运动过程,在此基础上提出一种基于多项式的S型曲线包装堆垛机器人轨迹规划方法,并设计机器人控制系统,利用威纶TK6050ip触摸屏对机器人进行监控和参数设定,采用西门子S7-200 PLC和EM253位置控制模块实现对机器人速度和位置的控制,最后对机器人运动轨迹进行仿真实验分析。结果仿真实验结果表明,该轨迹规划方法能够保证机器人速度和加速度无突变,确保了机器人平滑稳定运行。结论该控制系统有效提高了包装堆垛机器人的运行效率,对于机器人稳定可靠运行具有重要意义。     

Optimization of cycle time and kinematic energy in a robot/conveyor system with variable pick-up locations

In automated manufacturing, a robot/conveyor system uses a robot to pick up parts that continuously arrive from a moving conveyor. To improve system efficiency, a variable pick-up location approach directs the robot to pick up parts before they reach the end of conveyor at a fixed point. The trade-off between robot move cycle time and kinematic energy is balanced by an optimization model based on optimum control theory in minimizing both simultaneously. Simulation results of several numerical examples show that the variable pick-up location approach consistently outperforms the conventional fixed pick-up method. Both cycle time and kinematic energy are reduced. The research results may be used for robot system planning by providing guidelines to detailed trajectory planning. Future research can include applications to the control of other robotic systems, such as manufacturing cells.     

Analysis of Robot Accuracy Assessed via its Joint Clearance by Virtual Prototyping Method

This paper discusses how joint clearance influences robot end effector positioning accuracy and a robot accuracy analysis approach based on a virtual prototype is proposed. First, a 5-DOF( Degree of freedom) neurosurgery robot was introduced. Then we built its virtual prototype, made movement planning and measured the manipulator tip accuracy, through which this robot accuracy portrait was obtained. Finally,in order to validate the robot accuracy analysis approach which is based on a virtual prototype, the result was compared with that from a model built by robot forward kinematics and robot differential kinematics.The robot accuracy analysis approach presented in this paper gives a new way to enhance robot design quality, and help to optimize the control and programming of the robot.     

漂浮基双臂空间机器人基于自适应遗传算法的最优非完整运动规划

讨论了漂浮基双臂空间机器人非完整运动的最优控制规划问题。以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人耦合了系统动量守恒关系的系统动量矩守恒关系,并将其转化为控制系统状态方程。由此,将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为非线性系统的控制问题。以此为基础,利用近似优化的方法,给出了双臂空间机器人基于自适应遗传算法的最优非完整运动规划控制算法。其优点在于,仅需要控制双臂空间机器人机械臂的关节运动,即可达到对载体姿态及机械臂关节位置的双重控制效果。一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,验证了算法的有效性。     

机器人纸箱套装系统的轨迹规划与分析验证

目的保证机器人纸箱套装系统稳定工作,提高包装质量与效率。方法对系统进行整体规划后,确定纸箱套装系统的轨迹点,对不同的运动过程分别在关节空间中和笛卡尔空间中进行轨迹规划,并生成各关节插值曲线。借助Matlab对机器人进行仿真实验,得出各关节角度规划曲线,并将之与轨迹规划所得结果进行比较。利用机器人实物对轨迹规划进行验证。结果各关节插值曲线与角度规划曲线吻合,角度规划曲线平滑。结论选用的套箱机器人轨迹规划方法可行,结果正确。     

体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统

针对脑卒中患者因大脑神经损伤而造成的上肢运动功能缺失,结合镜像疗法的机器人辅助训练可通过促使双侧肢协同运动来有效地促进大脑神经元重塑,从而实现运动功能恢复。为此,将镜像康复理论、虚拟现实技术和机器人技术有效结合,提出一种体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统。使用动作捕捉设备采集患者健肢的位姿信息,通过设计人机镜像运动映射算法来映射上肢康复训练机器人的运动轨迹。考虑到康复治疗的柔性需要,该机器人的关节采用基于比例压力控制的摆动气缸来驱动;同时,针对气动系统的特性,设计了PD(proportional differential,比例微分)+速度前馈补偿的轨迹跟踪控制策略,实现了双侧肢协同运动的镜像康复训练。通过对机器人系统样机进行复合运动轨迹规划试验和镜像康复训练试验,验证了该系统在镜像康复治疗中的可行性和有效性。所设计的机器人系统为人体双侧肢协同运动的康复训练临床需求提供了设计思路和实现方法。     

Intelligent robot control using ultrasonic measurements

We present an intelligent robot control system which employs low-quality ultrasonic measurements to perform high-precision recognition and grasping tasks. The system adaptively restores the ultrasonic image using approximators based on neural networks. Neural networks are also applied to perform object classification and a grasp planning task. Since the grasp planning is not unique, we developed a novel learning scheme that uses the expectation maximization approach. The resulting system works precisely and reliably. The underlying methodology can be extended to other low-quality data problems     

基于阻抗控制的幕墙安装机器人柔顺操作研究

为了提高幕墙安装机器人操作的柔顺性,从而真正解决建筑幕墙自动安装中人机协调的问题,采用自适应阻抗控制方法作为柔顺操作策略.依据建筑机器人物理模型建立了较为准确的阻抗控制模型,在机器人末端未接触运动空间和环境接触空间进行了自适应阻抗控制的研究,提出了通过减小力峰值防止幕墙破坏的控制参数的调整方法,借助MATLAB对控制系统进行了仿真,并对基于该算法的幕墙安装机器人进行了柔顺性操作实验.经过仿真和实验得到了适用于幕墙安装机器人的力控制算法,验证了自适应阻抗控制算法能够满足幕墙安装机器人柔顺性操作的要求.