基于模糊模型参考学习控制的手术机器人人机交互

为了解决机器人辅助手术环境下人机交互运动过程中的不稳定性问题以及医生个人因素难以建模的问题,提出了一种基于模糊模型参考学习的变导纳人机合作控制方法.首先将人体手臂自然运动的特征作为模糊学习控制的参考模型,通过离线学习机构训练出模糊导纳控制器的变阻尼系数调整参数规则.再以医生对机器人的拖拽力以及机器人速度作为输入、机器人期望的速度作为输出,构建基于变阻尼参数调整的变导纳控制方法.离线训练实验结果表明,该方法经过10次离线训练,可以达到柔顺性要求,人机合作速度最大误差低于17 mm/s,且人机合作轨迹最大误差低于15 mm.相比单纯基于固定导纳参数的模糊控制,该方法具有更好的跟踪速度与精度.     

基于三坐标测量机的机器人位姿精度检测方法

针对医疗场合导航引导下的手术机器人定位精度检测问题,提出了基于三坐标测量机的机器人位姿距离精度测量方法。该方法通过放置在一个平面上的三个标准球来实现三坐标测量机对姿态精度的测量,并参照机器人辅助外科手术系统的定位原理构建基于三坐标测量机的机器人位姿检测平台。在此基础上,依据国家标准规定的机器人性能检测方法和过程,完成机器人位姿距离精度的测量。通过该方法对研发的骨科手术定位机器人进行测量的结果表明,所设计机器人位置距离准确度和重复性分别在[10-1]mm和[10-2]mm级别,姿态距离准确度和重复性分别在[10-1]度和[10-2]度级别。最后将该机器人应用于前交叉韧带重建手术实验,结果表明通过这种方法检测的机器人能够满足手术场合要求。     

基于虚拟夹具的手术机器人导纳控制安全策略

针对人机协同手术全过程中医生不正确操作以及手术空间复杂性所导致的潜在安全问题,提出基于虚拟夹具的导纳控制安全策略.该策略针对人机协同手术中拖动引导阶段、精准定位阶段以及手术操作阶段的特点,结合导纳控制原理,分别设计了管道虚拟夹具、圆锥体虚拟夹具以及基于人工势场的禁止型虚拟夹具模型.在自主研发的手术机器人上模拟关节置换手术进行相应的实验验证,结果表明管道虚拟夹具可以在一定范围内有效地辅助机器人沿着轨迹运动;圆锥体虚拟夹具可以有效地减小医生拖动机器人时的定位误差,其定位误差为0.23 mm;禁止型虚拟夹具可以有效地避免机器人越过手术区域,从而保证机器人手术操作的安全.     

有限元和拓扑联合优化方法及其在机器人结构轻量化设计中的应用

针对协作机器人轻量化和动态特性的问题,本文提出了一种联合整体有限元分析和局部拓扑优化的机器人轻量化方法,并将其应用于设计一款六自由度协作机器人。该方法通过对整体进行有限元分析得到要优化部件的载荷及边界条件,从而基于上述条件对该部件进行拓扑优化,得到优化结构。优化结果表明优化后结构相对于初始结构整体减重4.83 kg,仿真结果为末端位移减小至2.57 mm,实测为2.88 mm,均达到目标要求,同时将整机六阶固有频率提高11.30%左右,高于当前文献所采用的拓扑优化所提高的1.69%。最后面向交叉韧带定位实验证明了该方法的有效性。