空间遥操作机器人力反馈实验系统的研究与实现

本文讨论了在空间遥操作机器人系统中实现力反馈的基本结构及控制方案,并 基于虚功原理给出了实现手控器腕关节力反馈的具体算法．     

微创手术机器人力反馈主手重力补偿研究

针对医生操作微创手术机器人力反馈主手进行主从微创手术时力反馈主手各杆件重力阻碍操作性能的问题,基于虚位移原理对力反馈主手各关节的重力矩进行推导,并采用Adams仿真软件对其进行验证.该方法适用于开链和闭链结构的机器人臂,与传统的牛顿-欧拉法和拉格朗日法相比,它不需考虑速度、加速度,且简单有效.然后采用电机驱动的方式对力反馈主手的各连杆重力进行补偿,实现了重力的完全补偿.实验结果表明,基于虚位移原理的主动重力补偿能够达到较好的补偿效果,将未补偿前的重力矩作用减小了60%以上,提高了力反馈主手的操作性能.     

基于软体手的机器人遥操作人机交互系统研制

为了提升抓取软体物体、易碎物体的完整性,设计制作了一种基于软体手的机器人遥操作人机交互系统。研制了一种嵌入了弯曲传感器的软体主手,获取人手的弯曲电信号,以此判断人手的弯曲程度,实现对软体从手系统的遥操作。并在远端软体从手中嵌入压力传感器,获取软体从手抓取目标时的表面压力电信号,以此来判断软体手抓取目标时的力度,实现力反馈。软体手人机交互系统能够减小传统刚体机械手抓取目标的限制,可有效抓取软体或易碎目标,实验表明了其有效性。     

多自由度遥操作系统控制的波变量法

为了将波变量方法用于多自由度遥操作系统,提出了一种更具一般性的多自由度遥操作系统的波变换公式,并扩展了公式参数的选择原则.首先分析了波变量法的原理,并用波变换矩阵替换波阻抗常数b得到多自由度系统的波变换公式.然后从能量的角度分析了波阻抗矩阵的选择原则,根据此选择原则扩展了波阻抗矩阵的选择方法和矩阵之间的约束关系.接着基于耗散理论,分析了扩展的波阻抗矩阵的无源性.最后以3自由度主从遥操作系统为例,分别进行了仿真实验和机器人遥操作实验,实验结果表明所提出的波变换公式能够保证多自由度遥操作系统在时延条件下的稳定性.     

遥操作机器人的新型力反馈算法*

在采用液压挖掘机改造的遥操作机器人双向伺服控制系统中,针对大臂和前臂两个自由度构建力反馈控制算法。以准确地获取从端机器人与环境的作用力,使反馈力能够更好地反映从端工作状况为目的,采用构建干扰力补偿项的方法消除干扰力对反馈力的影响;以机器人转角为输入,以空载时检测到的液压缸作用力为输出,通过径向基函数构建干扰力补偿项,此补偿项可对多种因机器人的机械本体动力学特性产生的干扰力之合力进行补偿。实验证明,在以液压机构为从手的双向力反馈系统中,通过构建干扰力补偿项的方法提高力反馈效果的方法是可行的,采用的带有干扰力     

微创手术机器人力检测与力反馈技术研究现状

在外科手术中力觉发挥着重要的作用,可以为医生提供组织刚度、肿瘤位置等信息,防止医生用力过度对正常的组织造成损害,在进行一些精细操作时可令医生施加合适的作用力.然而,现有微创手术机器人在克服微创手术诸多不足为医生提供巨大帮助的同时,却令医生丧失了与患者组织之间接触时产生的交互作用力信息,给患者组织带来了过度创伤和损害.为了使医生重新获得接触力信息,研究人员利用各种检测方法和反馈技术将力觉信息引入到微创手术机器人系统中,包括基于电阻和光纤的直接检测技术,基于位移和执行器输入量的间接检测技术,以及直接反馈和感知替代两种力反馈方法.本文对微创手术机器人力检测和力反馈两项关键技术的研究现状进行总结,并对这两项技术的发展趋势进行展望.     

力觉临场感遥操作系统的双向控制

通过建立一套主从机器人遥操作系统，研究在非确定性环境下借助力觉临场感技术实现遥操作的控制理论和设计方法，在力和运动的双向控制中采用力反射伺服型控制方案，实验表明了该方案的可行性，显示了临场感在增强人机交互能力方面的重要作用．     

面向双操作者的六足机器人共享遥操作

随着六足机器人遥操作系统研究工作的日趋深入,针对其操控系统的开发也将面临诸多挑战.为了实现双人操控条件下各操作者的控制权重实时分配,设计一种基于透明性及控制状态(TCS)的六足机器人双用户控制权重分配方法.其双主端与单从端采取位置-速度的交互模式,通过分析系统实时透明性与当前控制状态,构建三边遥操作控制律,实时计算共享因子,采用速度跟踪模式设计基于触觉力反馈的系统控制架构,并利用三端口绝对稳定定理确定控制律参数的稳定范围.最后,搭建半物理仿真实验平台并验证所设计的三边共享遥操作方法能够在兼顾系统安全性与透明性的同时以较高的效率与安全性实现六足机器人的双用户操控,并能充分考虑双用户的控制意图.     

遥操作机器人系统中6自由度输入设备的设计

介绍基于超声波测距技术的6自由度3－D输入设备的设计原理.采用检测渡越时间的方法,结合自动增益控制(AGC),自适应可变阈值技术和温度补偿技术,提高距离检测精度.经过空间解析几何运算,确定输入设备在空间坐标系中的位置和姿态.同时,检测按键的状态,确定所要实现的操作.可用于遥操作机器人系统中末端执行器的定位与定向、虚拟现实系统的3－D交互设备、头盔跟踪、视点导航和目标操纵等.     

基于时域无源性控制的六足机器人双边触觉遥操作

随着六足机器人研究工作的深入,针对其遥操作系统的开发面临诸多挑战.为了弥补松软接触条件对系统可控性及稳定性的影响,提出一种基于时域无源性控制(time-domain passivity control,TDPC)的六足机器人双边触觉遥操作方法.其主从两端采取位置-速度的交互模式,通过分析足-地柔性接触的作用机理,构建无源观测器和无源控制律以补偿足底滑移所导致环境系统的潜在有源性,采用速度跟踪模式设计基于触觉力反馈的系统控制架构,并利用Llewellyn准则确定控制律参数的稳定范围.最后,搭建半物理仿真实验平台并验证所提出的双边触觉遥操作方法在松软地形条件下能够保证六足机器人遥操作系统的稳定,且兼具较好的持续跟踪能力.     

基于视觉反馈和预测仿真的Internet机器人遥操作

随着网络技术的发展,基于Internet的机器人遥操作因其广泛的应用前景而成为研究的热点,如何消除Internet引入的复杂时延对控制系统的影响是解决问题的关键.该文在分析Internet两点间时延规律的基础上,设计并实现了一个基于视觉反馈和预测仿真的机器人遥操作系统(Telemanipulator,Tman),三维仿真服务器模拟出操作现场,远程用户根据视觉反馈和本机的三维仿真及时做出控制决策;同时,为了消除时延可能导致的超调所带来的安全隐患,采取远程控制结合本地自主控制的模式,由本地服务器完成最后的小区域内的精细操作.实验结果表明仿真预测和控制模式切换有效地补偿了时延,保证了控制系统的鲁棒性和安全性.     

七自由度机器人振动抑制的新方法

针对七自由度工业机器人刚性较差,运动过程中容易产生振动且抑制困难的问题,提出了一种控制算法,将时滞整形滤波器与动力学前馈补偿组合在一起,对机器人两个关节采用时滞滤波,并同时采用基于简化动力学模型的前馈补偿来实现机器人振动抑制.     

一个基于连续体机器人的黏膜切开刀

本文展示了一种多自由度黏膜切开刀的开发,该切开刀具有4个自由度,包括三个空间位置自由度和一个刀头伸缩自由度,能够通过6自由度主手进行主从控制。着重阐述了切开刀的结构设计及运动学算法的开发,并通过主从控制进行切开刀的运动验证,以及切割效果的初期实验验证。通过实现以上功能,证明该切开刀能够在手术时对黏膜进行灵活地切割,进而能够作为经自然腔道手术（NOTES:Natural Orifce Transluminal Endoscopic Surgery)的核心工具。     

具有震颤抑制的微创机器人主从控制系统设计

详述了一种用于抑制微创手术机器人震颤现象的主从控制系统，提出了针对人手生理震颤的新型零相位滤波方法及针对从操作臂关节“粘滑行为”的前馈补偿PD伺服算法。新型零相位滤波避免了传统低通滤波器容易造成延时和传统零相位滤波无法在线使用的缺点，前馈补偿PD伺服算法通过摩擦补偿克服了非线性摩擦对从操作臂运动造成的影响。最后，对系统进行仿真及实验，结果表明该方法能有效地抑制机器人手术工具末端的震颤现象。     

基于无监督深度学习的多模态手术轨迹快速分割方法

传统的手术机器人轨迹分割方法存在耗时长、分割准确度差且容易产生过度分割等问题.为解决上述问题,本文提出了一种基于特征提取网络DCED-Net(密集连接的卷积编码-解码网络)的多模态手术轨迹分割方法.DCED-Net采用无监督方法,不必进行十分耗时的人工标注,使用密集连接结构,使图像信息能更有效地在卷积层间传递,从而提高了特征提取质量.将特征提取后的视频数据和运动学数据投入转移状态聚类(TSC)模型得到预分割结果.为进一步提高分割精度,提出了一种基于轨迹段间相似性的合并后处理算法,通过衡量轨迹段间的4个相似性指标,包括主成分分析、互信息、数据中心距离和动态时间规整,将相似度高的分割段进行迭代合并,从而降低过度分割造成的影响.公开数据集JIGSAWS上的大量实验证明,与经典的轨迹分割聚类方法相比,本文方法的分割准确率最高提升了48.4%,分割速度加快了6倍以上.