微创外科手术机器人多自由度手指机构设计与研究

微创外科手术机器人多自由度手指机构是在满足微创手术要求的前提下,专为外科手术机器人系统研制开发的具有多个自由度的机构。该机构拥有侧摆,俯仰,旋转,夹持4个自由度,采用驱动电机与各个执行关节分离的结构形式,具有夹持灵活性好,质量轻,夹持力大,结构简单等优点,对手指机构的指尖夹持力、关节耦合关系等关键技术进行了研究,为微创外科手术机器人的进一步研制奠定基础。     

深海力感知多指手结构设计与仿真分析

面向水下机器人深海作业需求,研究设计了一种具有力感知功能的水下多指手,多指手共有3个手指,每个手指有3个关节,由一根绳索驱动,为欠驱动模式,手指指尖内置传感器用于指尖力检测。针对水下作业环境和目标特点,阐述了手指的设计依据,介绍了手指运动机理,研究设计了多指手的运动模块和整体结构,对手指进行了抓取静力学分析和动力学仿真,验证了手指结构的合理性与可行性。     

微创外科手术器械末端执行器夹持力建模与分析

针对主从微创外科手术机器人同一主手控制不同手术器械在相同开合角度下的夹持力安全问题,研究了手术器械末端执行器的夹持力,建立了一种求解末端夹持力的数学模型.所建立的模型考虑了钢丝绳与导向轮之间的非线性摩擦、指部与腕部的运动耦合以及钢丝绳在导向轮上的蠕动变形对夹持力的影响,得到了在相应开合角度下电机电流与手术器械末端执行器夹持力之间的映射关系;同时,对缝合针所受夹持力进行了受力分析,得到末端执行器对缝合针的夹持力以及末端执行器对缝合针的拉拔力与电机电流之间的关系.通过Matlab对夹持力模型进行仿真研究,得到手术器械末端执行器在考虑和不考虑摩擦与变形情况下的夹持力变化曲线,特别是得到了对缝合针的夹持力和拉拔力随电流变化的曲线图.仿真结果表明,所建立的夹持力数学模型更贴近实际情况,为后续有效和安全夹持力控制提供了理论依据.     

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。     

机器人辅助微创手术系统的触诊功能实验

机器人辅助微创手术系统中的触诊功能的实现对提高手术效率,减少术中对非病变组织的创伤有重要意义。针对已研制的机器人辅助微创手术系统中的触诊模块进行性能测试,一是用于测量微器械在手术中夹持器官组织时产生的夹持力的夹持力测量系统,一是用于测量微器械与非夹持器官组织接触时产生的相互作用的接触力的接触力测量系统。通过实验分析了系统的精度和性能,为系统的进一步优化提供依据。     

一种搬运机器人夹持机构设计与抗倾覆性分析

基于十字坐标,设计了一种搬运机器人,其夹持机构为两侧对称、单侧双滑块结构。建立了夹持机构动力学模型,分析了其受力和运动情况,基于ADAMS和MATALB搭建了机器人整体抗倾覆性PID控制模型,仿真分析了其影响因素。分析结果表明,夹持机构的受力和运动可靠可控,机器人整体抗倾覆性可调可控。针对夹持机构的运动学情况和机器人整体抗倾覆性的影响因素,对夹持机构的相应控制策略进行了设计,以使机器人在自动搬运过程中能准确控制夹持机构夹持力。     

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。     

主从式微创外科手术机器人主手设计

主从式微创手术(m in im ally invasive surgery,M IS)机器人系统是医学中的微创手术技术和机器人技术相结合的典型产物。在手术中,手术机器人能够辅助医生进行各种手术操作及精确的定位,并且提供稳定的操作平台。通过分析腹腔镜手术中手术器械的典型运动空间和医生手术操作的动作,以及微创手术机器人从手的结构形式和运动,根据从手的操作要求,我们设计了一种适用于腹腔镜手术的主从式机器人系统的主手结构。模拟试验和仿真结果表明所设计的主手结构满足微创手术的要求。     

基于厚板折纸理论的微创手术钳

微创手术操作器械,作为微创手术机器人的重要组成部分,其性能的优劣直接影响手术的质量。目前的微创手术器械大多是针对手术过程中的夹取、缝合等基本操作设计的,但由于它们通常是通过简单地将传统外科手术工具小型化获得的,造成现有微创器械普遍存在着机械效益低、磨损严重、运动不协调等问题。为了提高手术操作的高效性和稳定性,基于厚板折纸理论设计了一种专门用于微创手术的新型手术钳,分析与试验表明其可提供多于传统微创手术钳1.5倍的夹持力,并具有更大的张角和更好的运动协调性,同时增加了手术操作的灵活性。动物试验表明其夹持组织更加稳定可靠。     

自锁式欠驱动夹持器结构设计及优化

为了避免自动化生产线上机器人因多品种、多尺寸圆盘类工件夹持时的频繁换夹,提高机器人夹持稳定性和安全性,设计了一种自锁式欠驱动夹持器并进行了结构优化。基于欠驱动原理完成夹持器的结构设计,并通过夹持构型与夹持过程分析,确保了结构自锁和包络夹持的可行性;根据虚功原理及连杆机构的矢量封闭方程,构建了夹持器自适应抓取状态下的静力学建模;根据夹持器各指节夹持力平衡,建立了结构参数优化模型,并引入遗传算法实现了参数优化。数值测试结果表明,相比经验法和Fmincon算法,遗传算法优化的目标值误差分别减少70%、62.5%,且夹持器的夹持力最大偏差分别减少78.3%,61.4%,验证了文中欠驱动夹持器遗传优化设计的优越性,满足了夹持器通过各指节力平衡实现稳定夹持的要求。     

新型抓胎机械手结构优化及动作分析

针对目前传统抓胎机械手在取胎过程中易发生胎坯变形不对称和变形量大的问题,对抓胎机械手取胎过程中影响胎坯纵向和横向变形的主要因素进行了研究,提出了定位内撑一体的抓取方法;并结合实际工作要求,从抓胎机械手动力学参数设计角度出发,优化设计出了新型内撑抓胎机械手,利用动力学仿真分析软件ADAMS对新型机械手内撑机构工作位置的运动及动力学特性进行了仿真分析,通过有限元柔性体分析方法,对3种抓胎机械手取胎时轮胎胎坯变形量的大小及分布情况进行了对比、验证。研究结果表明:新型机械手能够实现胎坯定位、内撑取胎的功能,并且对取胎过程中胎坯存在的变形不对称和变形量大的问题均有明显改善。     

尺蠖式直线微驱动器的设计

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。     

多运动态便携式机器人抗摔性能的虚拟试验分析

基于动力学软件ADAMS和有限元软件ANSYS,提出一种机器人抗冲击性能的虚拟实验方法,对机器人的抗冲击性进行定性分析和定量分析。基于虚拟样机对机器人碰撞过程进行虚拟实验,通过虚拟传感器检测机器人与地面产生的碰撞力以及子结构之间的相互作用力,获取其力的时域信息。再以有限元分析软件应用为基础,分析子结构在强冲击载荷作用下的应力和应变的分布及变化,确定机器人抗冲击性能的薄弱环节。利用虚拟试验方法对机器人的翼板单元的抗冲击性能进行分析。结果表明,机器人在跌落高度为3m时,前后翼板抗冲击性能良好,证明虚拟试验的方法具有实时、高效和可重复的优点。     

修边机器人的夹紧机构优化设计及运动分析

针对修边机器人夹紧机构的优化设计开展研究。通过分析夹紧机构的机构组成原理,建立了以夹紧机构工作半径最大化为优化目标,以各转动副位置、支撑底座质量、极限位置、工作半径范围、压杆运动稳定性和驱动杆推程为约束条件的机构优化设计数学模型。模型验证实验中,以夹持直径d=40cm的圆形塑料制品为例,得到了压杆位移、压杆与驱动杆速率比随驱动杆位移变化的曲线,并对驱动杆的运动速度曲线进行了规划。仿真结果显示,优化及运动分析结果满足设计要求,从而为修边机器人的优化设计与自动控制提供了设计参考。     

关节型机器人示教机构平衡设计与优化

针对示教机构并不应用于实际的生产中,而且不用考虑机构运动过程中的弹性变形、惯性力等性能,设计出了结构简单的轻质连杆来代替实际机器人的各构件。示教机构的设计原则是保留实际机器人的自由度数、机构尺寸和工作空间,其余部分进行简化。利用弹簧平衡法和增加端面对关节型机器人臂杆进行重力平衡,各关节无驱动电机和减速器,仅有编码器测量关节角度,在结构上用简单结构的轻质连杆连接于各关节之间。     

基于ANSYS的注塑机结构分析及动模板优化设计

以某型号注塑机为研究对象,在Pro/E和ANSYS协同设计分析环境下,对注塑机锁模机构进行整体建模及分析。分析结果显示动模板在150kN的锁模压力下变形和应力变化较大。根据有限元分析结果,利用ANSYS优化模板对动模板结构进行优化设计,优化后的动模板的应力以及变形显著降低,对产品性能的改进起到了良好的指导作用。     

Current based compliance control method for minimizing an impact force at collision of service robot arm

A motion of a robot manipulator under environment for human and robot to coexist should be able to quickly sense external force and react for minimizing a damage due to physical contacts. In the absence of sensing external force, relative motions between robot and human are not predictable and unexpected collisions may occur at some position during motion of the robot arm. This paper proposes a real-time collision detection method and a compliance control based on detecting abnormal current value to minimize an impact force at the moment of collision between service robot arm and unknown obstacle. In the introduced method, the extra sensors such as the Force/Toque sensor or the visual sensor to detect the collision are not necessary. Instead of these sensors, the collision detection and the safety motion are achieved by a simple method based on the current characteristics in according to operating of each joint motor of robot manipulator. In order to evaluate the performance for minimizing an impact force, the proposed method is applied to the developed light weight robot arm for a service robot.     

基于Stewart构型的六维力/力矩传感器刚柔度性能研究

刚柔度是传感器的基本特性,是在工作空间中定量衡量其性能与结构参数间关系的重要指标.应用并联机器人机构学理论,对基于Stewart结构六维力传感器的性能指标进行理论推导,定义并分析了其刚度和柔度性能指标,为六维力传感器的优化设计和工程应用提供理论基础.     

一种抱缆力可调的斜拉索检测机器人设计

在对国内外典型爬缆机器人结构深入研究的基础上,设计了一种抱缆力可调的斜拉索检测机器人。通过电机正反转带动螺旋压紧机构实现抱缆力遥控调节功能,可有效防止机器人抱缆卡死的危险状况。其滚轮结构对缆索直径系列具有更好的自适应性。能充分利用重力锤效应进行位姿控制。轻量化的翻转式框架结构更方便现场安装。在设计好的爬行本体结构基础上,提出了对监控系统的相应功能要求,为下一步控制与监控系统的设计奠定基础。     

Optimal disk clamp design to minimize stress variation of disks in a hard disk drive

To avoid disk waviness and warpage in a hard disk drive, it is desirable for the stress distribution on disks fastened to a spindle motor by a clamp to be uniform in the circumferential direction while sufficient clamping force is maintained. The objective of this work is to find a clamp configuration that minimizes the circumferential stress variation on the disks while maximizing the clamping force. Topology and shape optimization methods were employed to find the optimal clamp configuration. To facilitate the optimization problem, a model for the surface contact between the clamp and the top disk was simplified to a static model where the disk clamp and spring were connected. By incorporating the surface recess, the optimized clamp has equal stiffness in the circumferential direction, except for the four tooling hole areas. Numerical simulation confirmed that the optimized clamp reduced the stress variation by about 78% without sacrificing the clamping force; in fact, it increased the clamping force.