基于外摩擦的医疗机器人关节锁紧结构实验研究

分析了目前机器人锁紧机构的发展现状,介绍了医疗机器人系统的工作原理．基于机器人关节摩擦力矩产生的机理,阐述了机器人关节锁紧的影响因素．通过相关的实验研究及分析,确定了影响机器人关节锁紧能力的主要因素,获得了机器人关节锁紧能力与活塞尺寸、内腔尺寸、摩擦环材料和尺寸及液压油粘度等影响因素的基本关系．     

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.     

具有谐波减速器的机器人关节建模与动力学参数辨识

针对串联机器人,提出了一种改进的机器人关节模型,并采用该模型开展了机器人动力学建模与辨识工作。建立了机器人动力学模型,对机器人关节结构进行分析,改进了关节模型,并通过谐波减速器的输入力矩近似估计其摩擦力矩。选取傅里叶级数为激励轨迹并优化其参数,通过控制关节按照所得轨迹运动,采集并处理相关数据,并基于加权最小二乘法分别辨识机器人关节模型参数与连杆动力学参数。通过关节预测力矩对所得参数进行验证,结果表明,基于改进关节模型的机器人动力学模型精度得到明显提升。     

基于摩擦观测器的伺服控制系统研究及仿真

伺服控制系统中非线性摩擦力矩的干扰是影响系统性能提高的主要因素。为了减小摩擦力矩的影响,提出了基于扩展卡尔曼滤波器的状态观测器对摩擦力进行估计,采用改进型Tustin摩擦模型仿真实际摩擦力矩。Matlab仿真结果表明,构建的摩擦观测器能较准确地对摩擦力进行估计,加入摩擦力补偿后能有效改善运动控制系统性能,速度误差由18%降低到3%。     

基于新型补偿控制策略的柔性关节控制器设计

柔性关节机器人控制系统中存在不确定性扰动、摩擦力、参数变化以及建模误差等问题,而常规PID控制无法兼顾稳定性和控制精度的要求,为此设计了一种基于新型补偿控制策略的柔性关节鲁棒控制器.控制器设计中,将摩擦力分为线性和非线性两部分,扰动分为确定性和不确定性两部分:机器人自身结构相关量、确定性扰动以及摩擦力的线性部分可以通过...     

直流伺服系统中的摩擦力矩仿真研究

本文主要以数控机床和机器人中广泛应用的直流伺服系统为例对摩擦力矩进行仿真研究,对摩擦力矩采取了两种不同的处理方法构建了直流伺服系统的仿真模型。通过分析摩擦力矩特性以及它对系统输出结果的影响,确定了符合系统实际情况的MATLAB仿真模型。仿真结果表明,摩擦力矩对系统性能影响很大,在系统设计和仿真时应全面考虑动、静摩擦对系统的影响。     

空间机器人分布式滑模变结构控制方法

针对空间机器人的动力学特性和星载控制系统的结构特点,分别基于干扰上确界和比例切换,设计了2种分布式滑模变结构控制方法,以实现在存在不确定干扰和关节摩擦力矩情况下基座姿态和关节运动的综合控制.首先给出了空间机器人的动力学模型和关节低速摩擦力矩模型,并以两自由度空间机器人为例,介绍了2种分布式滑模变结构控制方法的推导过程.通过仿真实验,对2种控制方法进行了对比,结果表明分布式变结构控制方法在简化算法的同时,能够保证系统控制性能,并对干扰和参数变化具有较强的鲁棒性.     

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题．首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件, 然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿---欧拉法建立了机器人的动力学方程, 并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度．通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响, 为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器 人结构优化和安全运动控制提供理论依据．     

面向微创手术的医疗外科机器人构型综合

在微创手术中，医疗外科机器人可以辅助医生精确定位和提供稳定的手术平台． 本文结合医疗外科机器人结构特点和手术适用范围，对适合微创手术的机器人结构进行了构 型综合分析．并以此为依据，设计出一种适用于神经外科立体定向手术的机器人，系统已经 应用于临床，取得了满意的效果．     

飞行仿真转台伺服系统滑模控制器设计

针对转台位置伺服系统中存在的非线性摩擦环节．设计一种补偿摩擦的滑模控制器。该控制器把摩擦作为系统的有界扰动，利用滑模控制，在仅知道摩擦力矩上界的情况下，对摩擦进行补偿。仿真结果表明，该控制器有效地抑制摩擦力矩的影响，实现高精度的位置跟踪，鲁棒性强。     

An Experimental Study on Cartesian Impedance Control for a Joint Torque-Based Manipulator

The purpose of this paper is to present our results on experimental investigations on Cartesian impedance control and nonlinearity compensation for our harmonic drive robot based on joint torque sensors. The imperfection of the cubic model for harmonic drive friction is detected according to friction identification experiments. In addition, five different Cartesian impedance control schemes are considered and four of them are tested by corresponding experiments with/without friction compensation. Experimental results tell us that the force-based impedance control strategy is more suitable than the position-based strategy for the harmonic drive robot based on joint torque feedback.     

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．     

Experimental study on torque control using Harmonic Drive built-in torque sensors

We have proposed the practical torque sensor which utilizes elasticity of harmonic drives. The sensing technique provides joint torque sensing without reducing stiffness of the robot and changing the mechanical structure of the joints. In this article, we examine experimentally the characteristics of joint torque control using this torque sensor. Three types of torque control laws are implemented with a one-link arm to find a control method which provides excellent friction reduction and dynamic response in joint torque. The experimental results of joint torque control show that the torque sensor is very useful to compensate the nonlinear friction. Furthermore the torque control is effective to improve the accuracy of the motion control at low velocity and to suppress the vibration caused by the joint flexibility. © 1998 John Wiley & Sons, Inc.     

基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计

针对微创手术机器人运动过程受到信号干扰而导致机器入主从臂控制效果差、控制精度较低的问题,提出了基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;主控制器通过蓝牙的无线传输方式与主机连接,采用I/O口模拟SCI硬件流控方式,实现MCU与蓝牙通信,为系统提供基础数据;设计时钟基准电路的并联振荡模式,方便失控程序重启;根据运动控制器结构,设计预留模数转换接口,并对机器人主从操作臂展开详细分析;使用基于STFT短时傅里叶变换方法抑制外界干扰,在LM629运动控制专用集成芯片支持下设计控制流程,完成基于STFT的微创手术机器人运动控制系统设计;设计对比实验,结果表明该系统与期望主臂运动轨迹的终点坐标(10 mm,-35 mm,45 mm)和从臂运动轨迹的终点坐标(18 mm,-45 mm,25 mm)一致,能够精准控制微创手术机器人运动精度,为医学手术智能化开展提供设备支持.     

Motion control analysis of a parallel robot assisted minimally invasive surgery/microsurgery system (PRAMiSS)

This paper presents motion control architectures for a parallel robot assisted minimally invasive surgery/microsurgery system (PRAMiSS) that enable it to achieve milli/micro-manipulations under the constraint of moving through a fixed penetration point or so-called remote centre-of-motion (RCM) point without any mechanical constraint. Two control structures suitable for minimally invasive surgery operations with submillimeter accuracy and for minimally invasive microsurgery operations with the desired accuracy in micron range are proposed. The control algorithm also applies orientation constraints preventing the tip from orienting around the instrument axis due to the robot movements as well as a minimum displacement constraint to minimise the movements of the parallel micropositioning robot. Experiments were performed and the results are analysed in this paper to verify accuracy and effectiveness of the proposed control algorithm for both cases of minimally invasive surgery and microsurgery operations. The experimental results present good accuracy and performance of the control algorithm. The numerical modelling and graphical simulations were also carried out and the results are also provided that demonstrate the correlation between the experimental results and physical responses.     

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。     

微创介入机器人系统设计与精度分析

针对微创介入手术对医生的身体危害性及难操作性等问题,设计了一种辅助医生手术操作的新型介入手术机器人系统,并详细阐述了模仿医生实际夹持与旋捻导管动作的仿生手指的设计理念以及基于神经网络的PID控制系统的设计过程。利用所研制出的血管介入机器人样机,开展了推进机构的精度实验,实验测试的各项精度结果证明所开发的推进机构满足精度的设计要求。通过对机构精度和误差来源的分析,给出提高精度的3条可行措施。本介入手术机器人满足设计要求,为同类产品的设计和改进提供了参考依据。     

腹腔镜机器人控制系统的设计及实现

根据机器人辅助微创手术任务的特点设计了腹腔镜机器人控制系统．研究了基于运动控制卡的 开放式机器人控制器结构,设计了机器人伺服系统及相应控制器硬件接口,采用面向对象的技术和模块化思 想开发了系统控制软件,应用灵活度和可操作度概念建立了腹腔镜机器人的手术规划和控制平台．通过调试 伺服参数提高了系统控制性能．实验表明,该腹腔镜机器人控制系统具有稳定性、高可靠性和多任务适应性, 满足微创手术需求．     

用于神经外科手术的磁共振图像导航机器人的兼容性研究

分析了磁共振图像导航微创外科手术环境对机器人的要求,提出了磁共振图像导航机器人必须满足的结构和磁共振兼容性方面的特殊要求.探讨了MRI导航机器人的构型设计及结构优化设计问题,实现了机器人结构兼容性设计.将机器人部件进行分类,并设计了相应的磁共振兼容测试方法.通过在各部件兼容性测试中对水模信噪比的测试,实现了机器人磁共振兼容性.