可运动解耦的连续体单孔手术机器人设计与控制

提出一种可拓扑解耦的连续体单孔手术机器人,通过设计中间联动连续体段可以实现多段驱动间的解耦,并且机器人的末端姿态仅取决于远端形变段,实现了位姿分离.基于该运动解耦构形,设计了一种基于空间十字交叉曲面盘的连续体骨架结构来实现具有6自由度的多段连续体机器人,建立了机器人的正运动学,并给出了逆运动学的直接求解法.最后进行了机器人驱动解耦与轨迹跟踪控制实验,经过测试,机器人解耦运动的平均角度误差为2.39?,在20 mm/s的速度及无负载条件下轨迹跟踪误差为1.46 mm.实验表明机器人具有较好的驱动空间解耦能力,并能够基于逆运动学直接求解法实现机器人稳定的运动控制.     

用于丝驱动连续体机器人的实用运动学研究

针对单段及多段连续体机器人运动学问题,提出分段常曲率与粒子群算法相结合的完整正逆运动学分析方法.以双段丝驱动连续体机器人为研究对象,首先设计含平移段的机器人样机;然后利用分段常曲率方法建立驱动空间与关节空间的相互映射,根据齐次变换得到关节空间至工作空间的正映射关系;最后利用线性递减权重粒子群算法实现工作空间至关节空间的逆映射.对双段连续体机器人的运动学进行仿真及逆运动学求解耗时测试,并在研制样机上进行了实验验证.仿真结果说明了所提运动学研究方法的合理性及逆运动学求解的快速性,实验结果显示位置平均误差小于双段连续体机器人本体长度的6.22％,验证了所提运动学的有效性.     

连续体机构在单腔镜微创手术机器人系统中的应用

本文关注以腔镜技术实施微创手术的机器人系统,详细介绍上海变通大学密西根学院引进的科研团队在美国已经研制的和正在中国研制的微创手术机器人系统,重点突出这些微创手术机器人系统主要应用连续体机构的特点,并简要评析欧美等国将连续体机构用于微创手术机器人系统的研究现状以及此项技术的应用前景展望。     

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。     

一种主从操作的连续体机器人

本文展示了一个主从操作的连续体机器人(CR:Continuum Robot)系统的开发。此系统主要包括主手部分和CR从手部分。主手是具有六个自由度的串联式结构;从手的CR具有五个自由度,包括三个空间位置自由度、一个旋转自由度和一个夹钳开合自由度。着重阐述了主手的设计、从手端CR模块的设计和CR运动学算法的开发,并进行了主从控制的初期实验验证。通过这些功能的实现,该主从操作的柔性机器人将来可以成为经自然腔道手术(NOTES:Natural Orifice Transluminal EndoscopicSurgery)的重要工具。     

肌腱驱动连续体/软体机器人控制策略

深入分析了为肌腱驱动连续体机器人开发的各种控制器,以作为肌腱驱动连续体机器人领域未来应用的参照.控制策略分为基于模型的控制和无模型控制,其中,基于模型的控制可分为静态控制、动态控制及几何运动学模型控制;而无模型控制是一个相对未知的领域,本文主要从无模型静态控制、无模型动态控制及无模型形状感知控制3个方面进行全面分析.最后,对基于模型和无模型的各种控制策略进行了综合评价,并对该领域未来的研究方向进行了展望.     

最小位移类桁架连续体拓扑设计优化

为将拓扑优化中的柔度最小化问题拓展到一般位移最小化问题,用有限元划分设计域,采用类桁架连续体材料模型,并假设杆件在设计域内连续分布.将杆件在节点位置的密度和方向作为设计变量,将指定位置和方向的位移作为目标函数,采用基于目标函数梯度的优化准则法,通过优化杆件的连续分布场形成拓扑优化的类桁架连续体.该方法可结合结构力学的基本概念,选择部分杆件形成拓扑优化刚架.     

最远距离命中移动靶心的自主连续体机器人——世界纪录介绍

针对连续体机器人利用视觉感知实现对外部目标瞄准跟踪控制问题,大连理工大学彭海军教授团队设计研发了一款基于视觉伺服的自主连续体机器人.经世界记录认证（WRCA）官方现场严格测试,该机器人被认定为“最远距离命中移动靶心的自主连续体机器人”,最远有效跟踪距离为30.129米.     

关于机器人运动优化控制建模的仿真研究北大核心CSCD

在机器人运动性能优化控制中,由于机器人多关节结构的复杂性与运动学的高难度,导致高度仿真的机器人运动控制难以实现的问题。为避免仿真的失真,提出了一种采用D-H参数模型的机器人实时运动控制仿真方法,根据机器人各连杆部件的尺寸与位置参数,绘制3D部件,再进行D-H参数模型整合,以机器人运动学算法对模型加以控制,实验结合Matlab和Soildworks软件作为平台,对经典机器人puma560进行仿真,实现了各个连杆部件的实时控制,实现了末端工具轨迹的运动平滑规划并对运动过程录像,结果表明,提出的方法能为实现机器人运动控制性能优化设计提供科学参考。     

面向机器人抓取的柔性体建模与柔顺控制研究及应用综述

针对柔性体建模复杂和柔顺控制系统稳定性弱的问题,本文总结论述了当前比较典型的几种柔性体建模方法、柔性多体动力学建模方法以及基于不同技术的力/位混合控制和阻抗控制;明确了每种柔性体建模方法的定义,比较了每种方法的优缺点并列举了一些典型应用,对基于不同技术的力/位混合控制和阻抗控制进行了阐述,并论述了每种技术针对的问题或环境、产生的效果和适用场合,列举了一些具有代表性的成果;探讨了目前面向机器人抓取的柔性体建模与柔顺控制的研究热点和代表性问题;最后对机器人的发展进行了展望。     

CT导航微创外科混联机器人拓扑结构分析

分析了CT导航微创外科手术环境对机器人的特殊要求,提出了一种新型串并混联机器人构型 .详细讨论了机器人的串、并联拓扑结构的设计依据,比较了多种串联微创外科机械臂的结 构类型,明确了串联部分的构型.针对传统并联机构灵活性较小的不足,提出并分析了并联 机构的结构框架,确定了并联部分的结构.基于螺旋理论重点求解了并联机构的位移输出特 征方程及其自由度,同时给出了串联部分的位移输出特征矩阵.通过灵活性仿真,验证了该 机器人可用于CT受限空间的微创外科定位手术.本文对于新型医疗机器人的构型设计提供了 一种理论参考.     

连续软体机器人的结构范型与形态复现

为提出连续软体机器人的设计与分析通用理论,根据当前连续软体机器人的运动特征和细长软体生物纵肌结构抽象出通用的结构范型（GSP）,并由此建立了连续软体机器人在驱动空间、构型空间和任务空间中的一般运动学．针对这类机器人在构型空间中灵活运动或操作的需求,提出一种细长软体机器人对任意目标曲线的形态复现算法,并采用离散Fréchet距离评价形态复现的相似性．通过仿真和实验,以形状记忆合金（SMA）弹簧驱动的双软体模块机器人为例验证了结构范型与一般运动学的正确性．此外,以仿生运动曲线等为目标曲线,以组合案例分析曲线形状、关节数量和关节参数对复现效果的影响．结果表明,软体单元模块数量越多或其最大弯曲角越大,形态复现的相似性越高．     

颅颌面外科手术机器人空间配准及实验

针对颅颌面区域结构复杂、手术风险大、精度要求高的特点,研发了一套颅颌面外科手术机器人系统．为实现机器人系统高效、精确的空间配准,提出并建立了一套基于光学定位的颅颌面外科手术机器人空间配准方法,实现了机器人各子系统之间的坐标系转换．通过基于四元数的最近点迭代配准算法实现了点集之间的矩阵转换．在综合医学影像、机器人与各子系统空间配准的基础上,分别开展了配准精度和定位精度的验证实验,并完成了三叉神经射频热凝术的模型和尸体穿刺定位实验．配准精度验证实验的配准误差平均值均小于0.75mm,定位精度验证实验的误差平均值为0.56mm,模型实验的穿刺成功率为100%,尸体实验的穿刺成功率为95%．综合实验结果表明该空间配准方法的配准精度较高,具有一定的可行性,可以满足颅颌面外科手术机器人系统的需要．     

基于微创外科手术机器人操作手的夹持灵活度研究

为了反映外科手术机器人六自由度操作手的指尖在夹持点对物体的夹持能力,分析了夹持时指尖的姿态、夹持物的姿态及两者的关系．推导了指尖在夹持点对处于任意姿态的物体进行夹持时所需姿态的解析表达式,并借助姿态球给出了夹持灵活度的定义．研究了本机构工作空间中离散点的夹持灵活度,确定了指尖夹持的灵活空间,并通过SimMechanics进行了仿真验证．     

位－力驱动的线驱连续型机器人的动力学建模及实验验证

提出了一种位－力混合驱动的线驱连续型机器人的动力学模型。首先,基于集中质量矩阵法进行机器人动力学建模,将机器人动能的连续积分等效离散为三点求和形式,可简化建模过程并提升仿真的计算效率。其次,分析了驱动力与驱动线几何约束的力学关系,将线驱动作用等效建模为电机的驱动参数与牵引线张力的线性方程组,不仅可以精确地满足牵引线对系统的约束条件,还可以在不使用拉力传感器的条件下得到线的驱动力,降低了机器人成本及控制难度,这种方法适用于任意数量牵引线的连续型机器人。最后,将线驱连续型机器人的仿真和实验结果进行对比,机器人末端点的轨迹最大误差为3.85%,验证了所提模型的有效性。     

弹性机械手臂的建模与控制

１引言目前工业机器人的负载与自重比一般在１：１０到１：３０之间或更小,而人类的负载与自重比通常可以达到１：３,本体过重是实现机械臂高速运动控制的一个障碍．一方面,提高负载与自重比可以满足高速低能耗的需求,同时,也势必会导致本体刚度的下降,从而使机械臂成为具有弹性的结构．机械手臂的高速运动往往会激励起弹性结构的振动,,给运动控制带来许多挑战性的困难．基于刚性动力学的控制策略已无法用于高速高精度的运动控制,需要基于弹性机械臂的动力学设计更为有效的控制算法,这就是弹性臂建模与控制的研究内容．本文中弹性…     

柔性双轮平衡机器人的动力学建模与分析

提出了一种柔性双轮平衡机器人,其机身具有以一段弹簧作为弹性阻尼的被动俯仰旋转关节．运用拉 格朗日方法建立了此机器人在平面运动的动力学模型．基于此模型,首先证明了柔性双轮平衡机器人在直立平衡点 不稳定和局部可控．其次,分析了关节刚度对线性二次型最优姿态平衡控制系统的影响．结果显示,关节刚度减小 在理论上能够加强系统的鲁棒性,却使得控制系统动态性能下降．本文提出的模型及相关分析为柔性双轮平衡机器 人的设计和控制提供了一定理论依据．     

基于准确度评估的7自由度手术机器人术前摆位优化算法

针对微创机器人辅助的外科手术复杂的术前摆位问题,以甲状腺微创手术用到的床旁双7自由度协作机器人为研究对象,将机械臂的运动准确度以及运动学性能作为优化目标,提出了机械臂准确度评估指标以及其对应的干涉指数,并提出了一套基于带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）多目标遗传算法的术前规划方法。最后,将由该遗传算法优化得...     

Dynamic Modeling and Hydrodynamic Performance of Biomimetic Underwater Robot Locomotion

We developed a dynamic model of a Nitinol artificial muscle activated biomimetic robot. The robot was reverse engineered from the American lobster and built in the Biomimetic Underwater Robot Program at Northeastern University. It is intended for autonomous remote-sensing operations in shallow waters. An experimentally based Nitinol artificial muscle model was integrated into the robot dynamic model. The hydrodynamic characteristics of the robot were determined experimentally. The muscle control signals were generated by utilizing a readily available biomimetic control architecture. The effects of the timing parameters were investigated. Simulations indicate that the developed robot is able to locomote with high stability. It can walk against constant currents and surge.