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...     

基于特征参数与双协作空间的腹腔微创手术机器人术前规划

针对机器人辅助微创手术术前规划困难的问题,提出一种多目标术前规划优化算法,该算法在保证持械臂在腹腔内有足够的协作空间的基础上,尽可能地避免了运动干涉.首先建立人工气腹的数学模型,并基于病灶特征参数得到最优手术切口位置.其次,基于圆柱体包围盒,建立腹腔外协作空间指标,通过腹腔内协作空间与腹腔外协作空间的双协作空间评价指标,得到机械臂最优摆位角度.最后,结合给定的一组病灶参数阐述算法的实现流程,通过该算法得到了在该病灶参数下最优的手术切口位置和摆位角度.     

主被动混合式微创手术机械臂机构设计及灵巧度优化

研制出一款可开展微创手术的双机械臂机器人系统,该系统配合手术微器械可以实现精确的腹腔内手术操作.通过分析微创手术的手术环境及手术操作特点,提出了采用机器人开展微创手术对机器人自身机构设计的基本要求,并在此基础上重点对机械臂机构进行设计和优化.该机械臂可以按照微创手术的实际需求,实现机器人的术前摆位、术中器械操作及器械的快速拆装更换,并且可以从机构上保证术中器械在患者腹壁切口处位置不变,避免术中因手术器械运动而对腹壁切口造成非手术性损伤.此外,借助于机器人雅可比矩阵的奇异值,构造了基于条件数和可操作度的综合灵巧度评价指标函数,并采用序列二次规划算法对机械臂杆件参数进行优化.优化结果表明,机械臂具有良好的各向同性及可操作度,很好地满足了微创手术对机械臂机构灵活性的要求.     

基于改进梯度投影算法的腹腔微创外科手术机器人系统术前摆位分析

通过机器人腹腔镜微创外科手术的术前摆位分析,使双器械臂具有较为合理的操作空间,以避免双器械臂在缝合、打结等协同手术操作中的运动干涉.首先,将两器械臂之间的最大距离指标作为梯度投影算法的优化目标函数,并利用双器械臂的封闭逆解方程对梯度投影法进行改进,较好地消除投影梯度法在逆解求解过程中存在的累积误差.最后,将改进的梯度投影算法应用于腹腔微创外科手术机器人术前摆位分析中,仿真结果表明该方法能够满足系统对术前摆位的要求.     

基于仿真的外科手术机器人术前引导优化

给出一种保证术中较高灵巧度、可达性和可视化指标的手术机器人布置方法,建立一个能够辅助医生完成手术机器人术前布置的虚拟现实系统.基于粒子群优化算法提出了引导手术切口布置和机器人摆位的方法,该方法不仅能够有效完成针对某一手术空间的摆位优化,还通过手术空间划分并赋予权值的方法来反映手术空间内部差异,在空间分割的基础上提出加权平均的全域各向同性和多臂协同性两个目标函数,分别反映机器人系统的单臂性能和三臂协作能力.该方法可以在兼顾手术机器人性能和手术空间内部差异的前提下直观地引导医生完成复杂的术前设置工作.实验证明,3只臂的灵巧度优化结果均高于不加权方法,三臂协作能力指标相对不加权方法提高25%~30%,而且优化结果能够优先满足手术空间内的重要区域.     

人工耳蜗精准植入机器人术像一体化手术路径规划

针对人工耳蜗植入手术入路的传统方法存在的手术潜在风险高、手术视野受限、手术一致性差等难以解决的临床问题,提出一种以从切口至圆窗的DCA(耳蜗直达路径)最短、植入过程损伤最小为目标的多约束多目标术前规划优化算法.首先对人工耳蜗精准植入机器人术像一体化手术路径规划进行了研究,将基于多模态信息融合技术重建的3维手术视图作为作业空间,利用U-Net分割识别算法进行耳蜗和面神经部分的识别以提供矢量化功能分区与边界信息,通过对笛卡儿坐标系内的CT影像进行3维重建实现多目标多约束规划,遵循机器人人工耳蜗植入手术入路设计规则,推导路径规划算法的公式,对机械臂规划出相应的DCA路径.通过在虚拟仿真平台进行模拟实验,证明了本文方法的有效性和精准性.     

基于ROS的多机械臂协同控制

随着21世纪医学技术发展,手术机器人已经成为近些年国内外机器人领域的一大热点,骨科1手术机器人更是其中的核心问题。为了解决目前骨科手术机器人中设备结构庞大、难以适用多场景复杂手术的问题,以六自由度机械臂作为研究对象,使用D-H法对机械臂进行数学建模;针对骨科手术的实际需求,使用ROS对单机械臂进行控制;使用串口通信原理,构建出基于包围盒碰撞检测算法和RRT路径规划算法的双机械臂防碰撞系统,并利用该系统完成基于主从协调的策略的跟踪任务。结果表明,该双机械臂防碰撞系统可以有效完成目标任务,这将为之后骨科手术机器人的协同控制研究提供平台。     

一种基于DTW-GMM的机器人多机械臂多任务协同策略

为了控制机器人完成复杂的多臂协作任务, 提出了一种基于动态时间规整?高斯混合模型(Dynamic time warping-Gaussian mixture model, DTW-GMM)的机器人多机械臂多任务协同策略. 首先, 针对机器人示教时轨迹时间长短往往存在较大差异的问题, 采用动态时间规整方法来统一时间的变化; 其次, 基于动态时间规整的多机械臂示教轨迹, 采用高斯混合模型对轨迹的特征进行提取, 并以某一机械臂的位置空间矢量作为查询向量, 基于高斯混合回归泛化输出其余机械臂的执行轨迹; 最后, 在Pepper仿人机器人平台上验证了所提出的多机械臂协同策略, 基于DTW-GMM算法控制机器人完成了双臂协作搬运任务和汉字轨迹的书写任务. 提出的基于DTW-GMM算法的多任务协同策略简单有效, 可以利用反馈信息实时协调各机械臂的任务, 在线生成平滑的协同轨迹, 控制机器人完成复杂的协作操作.     

改进人工势场的手术机器人位姿规划

运动避障与路径规划是手术机器人自动化手术中重要的技术环节,为机器人手术提供了良好的术中安全性及准确性.本研究针对上述两关键技术,提出改进人工势场的手术机器人位姿规划算法,首先,通过对引力函数进行改进,在不求取运动学逆解的情况下,能够准确驱动机械臂到达指定位姿;接着,利用快速凸包算法将障碍物凸体化,通过Gilbert Johnson Keerthi (GJK)算法计算障碍物与机械臂连杆等效圆柱面之间的最近距离,使避障距离更加准确;然后,通过自适应步长,使机械臂运动更加平稳快速;最后,引入动态引力常数,使机械臂具有逃离局部极小值的能力.实验结果表明,本研究能够让机器人在避障情况下平稳快速到达规划位姿,并在陷入局部极小值时逃逸,为未来医疗机器人在自动化手术方面提供了新思路.     

协作机器人智能视觉系统设计与实现

伴随着科技的发展,人工智能技术得到了飞速发展。协作机器人和机械臂在各大领域的应用变得越来越重要。传统的机械臂只能按照已规划好的路径进行物体的抓取,当物体不在或挪动位置时,抓取便无法正常完成,还需要重新规划路径,严重影响了工作效率。为了能够使机械臂自主获取外界信息,拥有自我感知周围环境的能力,基于视觉的协作机器人得到了快速发展。文中首先对基于视觉的协作机器人技术进行了简要介绍,随后对智能视觉系统进行了相关设计,接着介绍了智能视觉目标检测和识别模块,最后在周围环境以及外界信息未知的情况下,利用智能视觉系统实现了协作机器人对具体目标的识别定位和抓取。实验结果表明,该系统可以投用到实际的工程应用中,具有良好的使用价值。     

冗余自由度协作机器人运动规划研究

针对传统快速探索随机树(Rapidly Exploring Random Tree,RRT)路径规划算法在新枝点扩展上缺乏目标性和时间复杂度高的问题,以具有偏置构型的7自由度冗余机器人Rethink Sawyer为研究对象,利用引力势函数,对新枝点的扩展进行调节,提出了具有导向性的变步长双向RRT扩展算法完成协作机器人运动规划.采用阻尼最小二乘Newton-Raphson方法对Sawyer机器人逆运动学进行数值求解.通过机械臂运动学模型和运动规划算法仿真、ROS平台的运动规划实验,验证了改进RRT算法进行路径规划的正确性,在操作过程中有效地避免了与约束框架碰撞,降低了机械臂运动规划的时间复杂度.     

基于粒子群模糊的除冰机器人越障规划

由于除冰机器人多在天气恶劣,覆冰较厚的输电线路上工作,现有的基于视觉伺服越障策略存在图像质量差,冰、线区分难等不足。根据模糊逻辑和粒子群优化原理,提出了一种除冰机器人在线越障和路径规划方法。该方法通过模糊规划器实现除冰机器人机械臂的无障跟踪和平稳越障。在此基础上,以机械臂末端经过路径长度和与目标点距离的综合最小为目标,利用粒子群算法对模糊规划器输出角度进行在线优化。仿真结果表明:与传统的模糊越障规划相比,该方法不仅满足除冰机器人实时规划和自主越障的要求,缩短了机械臂经过轨迹的长度,提高了除冰机器人的工作效率和续航能力,为实际工程应用中除冰机器人的能源短缺问题,提供了一种节约使用方案,具有一定的工程应用价值。     

基于PSO的空间机械臂轨迹规划技术研究

研究机器人的机械臂轨迹优化问题,空间机器人系统的机械臂和基座之间存在动力学耦合,基座姿态稳定性容易受到机械臂运动的反作用干扰.为了使空间机器人系统的姿态稳定性不受的影响,提出了一种基于PSO(粒子群优化算法)的参数化5-3-5轨迹规划方法.利用PSO的优化能力找到合适的参数组合,进行关节空间轨迹规划.通过对比实验,运用动力学仿真对方法的有效性进行了验证.仿真结果表明,方法规划出的轨迹运动光滑,且按段轨迹运动机械臂对基座姿态的扰动符合预期要求,证明规划轨迹的有效性.     

在人机协作中基于动量观测和优化算法的全机械臂单点接触信息实时估计

针对协作型机器人,提出了一种依据机器人控制与运动状态信息,基于动量观测与优化算法相结合的全机械臂单点接触信息实时估计方法.该方法将接触位置估计问题转化为优化算法有界搜索问题,搜索范围由动量观测方法确定的接触臂长度确定,两种方法的结合保证了估计的精度和实时性.基于UR机械臂实验平台的仿真与实验结果表明,本文方法能够实时、准确地估计除第1关节以外首次发生接触的机械臂任意位置处的力和位置信息.本研究可以在不借助传感器的情况下实现机械臂对外力的感知.     

基于遗传算法的机械臂实时避障路径规划研究

针对模块化机械臂在运行时可能与工作空间中的障碍物发生碰撞的问题, 提出一种基于遗传算法的避障路径规划算法。首先采用D-H(Denavit-Hartenberg)表示法对机械臂进行建模, 并进行运动学和动力学分析, 建立机械臂运动学和动力学方程。在此基础上, 利用遗传算法分别在单/多个障碍物工作环境中, 以运动的时间、移动的空间距离和轨迹长度作为优化指标, 实现机械臂避障路径规划的优化。通过仿真验证了基于遗传算法的机械臂避障路径规划算法的有效性与可行性, 该算法提高了运行中的机械臂有效避开工作空间中障碍物的效率。     

基于目标检测的机器人手眼标定方法

智能协作机器人依赖视觉系统感知未知环境中的动态工作空间定位目标,实现机械臂对目标对象的自主抓取回收作业。RGB-D相机可采集场景中的彩色图和深度图,获取视野内任意目标三维点云,辅助智能协作机器人感知周围环境。为获取抓取机器人与RGB-D相机坐标系之间的转换关系,提出基于yolov3目标检测神经网络的机器人手眼标定方法。将3D打印球作为标靶球夹持在机械手末端,使用改进的yolov3目标检测神经网络实时定位标定球的球心,计算机械手末端中心在相机坐标系下的3D位置,同时运用奇异值分解方法求解机器人与相机坐标系转换矩阵的最小二乘解。在6自由度UR5机械臂和Intel RealSense D415深度相机上的实验结果表明,该标定方法无需辅助设备,转换后的空间点位置误差在2 mm以内,能较好满足一般视觉伺服智能机器人的抓取作业要求。     

路网约束下异构机器人系统路径规划方法

由无人机(Unmanned aerial vehicles, UAV)和地面移动机器人组成的异构机器人系统在协作执行任务时,可以充分发挥两类机器人各自的优势.无人机运动灵活,但通常续航能力有限;地面机器人载荷多,适合作为无人机的着陆平台和移动补给站,但运动受路网约束.本文研究这类异构机器人系统协作路径规划问题.为了降低完成任务的时间代价,提出一种由蚁群算法(Ant colony optimization, ACO)和遗传算法(Genetic algorithm, GA)相结合的两步法对地面机器人和无人机的路线进行解耦,同时规划地面机器人和无人机的路线.第1步使用蚁群算法为地面机器人搜索可行路线.第2步对无人机的最优路径建模,采用遗传算法求解并将无人机路径长度返回至第1步中,用于更新路网的信息素参数,从而实现异构协作系统路径的整体优化.另外,为了进一步降低无人机的飞行时间代价,研究了无人机在其续航能力内连续完成多任务的协作路径规划问题.最后,通过大量仿真实验验证了所提方法的有效性.     

基于双目视觉的机器人目标定位与机械臂控制

为了更好地与复杂多变的非结构化环境进行交互,完成对目标物体的识别和抓取,提出了一种应用于服务机器人平台的基于双目视觉的仿人机械臂控制方法.文中首先用D-H方法对机械臂进行建模,并对这个模型做了改进,给出了一种更加简便的3+1自由度仿人机械臂的逆解算法,采用基于双目视觉与颜色分割的目标识别方法;然后根据识别出的目标三维坐标信息控制机械臂完成抓取任务;最后,本方法在家庭服务机器人上得到了验证,机器人能够完成对目标物体的识别和抓取动作.     

空间冗余机械臂路径规划方法研究

针对空间站遥操作7DOF冗余机械臂路径规划的安全性、可靠性问题,提出了基于臂型角逆运动学的优化A*路径规划算法.本文根据臂型角参数化完善了逆运动学方法,得到了32组完备逆解集,增加了路径规划时逆解选择的灵活性;通过臂型角搜索和最小奇异值优化A*路径规划算法,提高机械臂避障、避奇异能力,机械臂操作的灵活性和路径的安全可靠性;同时根据路径优化策略,有效平滑了路径,减少了机械臂的磨损.仿真结果说明了该方法的有效性.     

基于改进RRT-Connect算法的机械臂抓取路径规划

本文针对机械臂在目标抓取过程中存在路径长、搜索效率低等问题,提出一种改进RRT-Connect(双树快速随机扩展连接树)路径规划策略.首先,为了降低传统RRT-Connect路径搜索的随机性,增加目标偏执策略,同时引进极致贪婪函数,提高其收敛速度.其次,利用Dijkstra算法进行路径优化,得到最小路径,再引用B样条函数对此路径进行平滑处理.最后,将改进RRT-Connect和Dijkstra算法相融合,对三维机械臂进行仿真研究.仿真结果表明,本文提出的规划算法对串联机械臂的实际使用具有参考价值.