基于欧拉角变换的脑外科机器人系统手术规划方法

在分析脑外科定向手术机器人系统对手术刀进刀路径要求的基础上,研究了二维和三维手术规划,提出了基于欧拉角变换的脑外科机器人定向手术的规划办法;在详细分析手术进刀路径的确定方法后,给出了基于DICOM医疗图像的脑外科机器人系统手术规划的具体实现过程.该规划方法避免了手术路径确定过程的盲目随机性,可使医生高效、快速、准确地确定手术进刀路径.     

光学定位机器人微创手术系统视觉伺服控制

为满足机器人辅助微创手术系统手术中轨迹跟踪和绝对定位的高精度要求,为其研制了一个基于光学定位的视觉伺服系统.该系统采用光学跟踪定位手段,实时测量机器人末端位姿并反馈,在光学测量空间实现全局闭环的位姿校正控制,使影响机器人轨迹跟踪和定位精度的主要误差因素得到有效校正,从而保证了机器人跟踪和定位的高精确度.分析了系统的组成和工作原理,提出一种笛卡儿空间位姿校正和关节空间速度控制综合的轨迹跟踪控制方法,仿真结果验证了该方法的有效性.     

基于钢丝传动的腹腔微创手术机器人手术器械的设计和实现

为了提高腹腔微创手术机器人操作的灵活性,设计并研制了一种新型的腹腔微创手术器械,用于代替医生完成对组织或器官的夹持、缝合和提取等手术操作.应用Pro/E三维建模并导入Recurdyn进行了结构性能的仿真分析,采用D-H法对手术器械以及夹持手术器械的末端执行机械手进行运动学分析,结合手术器械和Force Dimensio...     

Kinematic dexterity measures for robot manipulators based on double quaternion

针对机器人的雅可比矩阵量纲不统一而不能对其进行灵活性评价这一问题,提出了一种新的雅可比矩阵量纲统一及评价方法.首先基于倍四元数,将三维空间的旋转和平移统一为四维空间的纯转动,推导了基于倍四元数的连杆坐标系变换通式.然后利用该方法对机器人进行了运动学建模,得到了具有统一量纲的雅可比矩阵,并根据该矩阵定义了新的评价指标.该方法解决了混合关节机器人建模时所产生的雅可比矩阵量纲不统一的问题.最后,对空间3R机器人和空间RPR机器人的灵活性进行了数值仿真分析,结果表明该评价方法不仅适用于相同类型关节的机器人,同时适用于混合关节类型的机器人.     

曲面复合材料缝合机器人自动路径规划技术

为提高复合材料预制件缝合机器人的灵活性与加工柔性,针对缝合机器人自动路径规划问题,研究了基于三维光栅扫描技术的曲面复合材料缝合机器人视觉接缝提取技术.针对三维扫描摄像机视场固定的特点,对摄像机进行标定实验,改进传统的手眼标定方法,提出一种用于求解手眼关系矩阵的四点标定新方法,建立了机器人坐标系与摄像机坐标系的位姿映射关系.经过手眼关系标定,三维光栅扫描仪采样得到的缝合预制件点云数据可转化为机器人坐标系下的点云数据坐标.进一步对采集的预制件点云数据进行接缝中心线提取,提出了一种缝合轨迹及姿态规划算法,采用三次多项式对接缝中心线进行空间曲线拟合,采用最小二乘法对缝合微切平面进行平面拟合,完成机器人操作空间前进矢量及接近矢量的计算.最后,将规划结果应用于缝合机器人的离线编程仿真与实验中.实验结果表明,该系统精度高,线迹成型良好,可以满足机器人缝合系统的要求.     

双平面骨科机器人结构设计和分析

针对骨科手术的特点,提出了一种基于并联机构的骨科机器人结构(2-PPTC).该结构将机器人的主动运动副设置在两个相互平行的平面内,构成了手术空间的边界,实现了机器人的运动空间和手术空间无交集,提高了骨科机器人的安全性.并采用螺旋理论,对骨科机器人的位置和运动特性进行了分析,最后将双平面骨科机器人应用于小腿骨折髓内钉临床手术实例,验证了这种结构模型在骨科临床手术中应用的可行性,为并联机器人在骨科中的应用提供了一种新的设计和分析方法.     

小型股骨颈辅助手术机器人模糊构型规划建模

针对微创股骨颈手术中医生的手术操作与机器人工作空间发生干涉的问题,进行了导航机器人构型模糊规划建模的研究,提出了一种机器人数字化构型设计的新方法.首先通过形体构造集的分析对手术过程提取规划空间值.其次,构建该导航机器人构型拓扑结构,提取构型特征参数,建立该机器人的模糊规划模型.最后,围绕微创股骨颈导航机器人的开发实例,进行规划模型的求解验证.实例证明:模糊规划应用于机器人的构型设计,能直接从规划变量中得到构型设计的特征参数值.这项研究开拓了模糊理论在构型设计中的应用.     

机器人运动灵活性问题的研究

对各类现有机器人的运动灵活性指标进行了分析比较,并且提出了一个新指标。同时,定义了指标灵敏度的概念,用来评价机器人灵活性的稳定性。基于这些运动灵活性指标,对平面机器人和空间机器人的运动灵活性进行了数值仿真研究,并对各指标优化结果进行了比较。结果表明,采用该指标对机器人的运动灵活性进行优化,机器人的综合灵活性更好。     

手腕康复机器人功能设计与外观设计

目的人体的手腕是活动中易损伤的关节,为辅助患者对手腕部位进行连续性标准化康复训练,设计一种结构紧凑、使用方便的手腕康复机器人。方法根据康复医学原理确定腕关节的转动运动范围,设计一种3-RRP球面并联式外骨骼康复机器人。通过虚拟样机对康复机器人进行仿真实验。使用MATLAB求解康复机器人的工作空间。根据人机工程学对机器人进行外观安全设计。结果该机器人有3个转动自由度,可实现腕关节掌屈/背伸、尺偏/桡偏、与小臂一起旋转运动。仿真实验表明该机器人可满足手腕关节康复训练要求,运行平稳,机器人的工作空间为球面的一部分,且连续无空洞。外形与色彩及人性化尺度设计使患者能够享受良好的医疗体验。结论使用该机器人可以达到腕关节的康复效果,研究结果为手腕康复机器人的产品工业化设计奠定了理论基础。     

遥操作在神经外科手术中的应用研究

通过建立远程脑外科手术演示系统，就进行远程手术(Tele-Surgery)中所需的关键技术如系统体系结构、CT图像与病人空间位置的无接触配准、VR仿真、人机交互、视频传输和网络通讯等进行了研究，为进一步研究微创手术和可应用于临床的遥外科系统奠定基础。最后通过遥控机器人穿刺头颅肿瘤的模拟实验，验证了上述关键技术的有效性。     

基于改进目标检测算法的AGV避障方法研究

目的 针对食品包装的抓取和装配,利用人工成本高且容易装错等问题,基于方位特征(POC)方程的并联机构结构综合方法,提出一种以3PUPaR并联机构为主体的抓取机器人机构。方法 计算3PUPaR并联机构的自由度、方位特征集以及耦合度等拓扑特性,验证机构具有空间纯移动的运动特性,建立机构的运动学逆解方程,基于此,采用数值法得到机构的工作空间与运动灵巧度。并研究参数尺寸大小对工作空间与全局灵巧度的影响,以全局灵巧度和工作空间为优化目标,选择具有Pareto解的NSGA-II算法完成多目标参数优化。结果 结果表明,机构具有较大且连续的工作空间。结论 该新型三自由度并联机器人能够满足食品包装的抓取和装配时运动范围。     

刚柔协作3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人研究

为满足搅拌摩擦焊技术的要求,解决搅拌摩擦焊机器人在顶锻力承受以及焊接灵活性方面存在的不足,在三自由度2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人基础上增加了3根绳索,设计了一种刚柔协作3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人。基于运动学建模,运用封闭矢量法分别计算了3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人刚性部分与绳索部分的位置逆解;运用求导法求得了机器人刚性部分与绳索部分的速度雅克比矩阵,并运用特征长度法将雅克比矩阵无量纲化,基于求得的速度无量纲雅克比矩阵,利用MATLAB软件分别对添加绳索前后的搅拌摩擦焊机器人的各项运动学性能指标进行编程求解;应用遗传算法对3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人的性能指标进行优化,通过设定最优个体系数、种群数目、遗传进化次数,对满足3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊接机器人全域刚度以及全域灵巧性的结构参数进行寻优求解。结果表明:3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人的承载力、灵巧性、全域灵巧性、刚度、全域刚度等性能指标均有所提高,且在综合考虑灵巧性以及刚度的优质工作空间内运动连续,说明3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人相较于2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人能够承受更大的顶锻力,且运动灵活性有所提高。通过遗传算法优化后找到符合3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人全域灵巧性以及全域刚度的10组结构参数,在综合考虑搅拌摩擦焊接工况下,从10组结构参数中选取最优的一组作为搅拌摩擦焊机器人的结构参数,在该结构参数下,机器人性能指标有所提高,更适合完成搅拌摩擦焊接工作。研究为提高机器人搅拌摩擦焊接质量提供了理论依据。     

基于空间位姿测量设备溯源的轨迹规划

研究了不同空间轨迹曲线对激光跟踪仪、视觉测量设备等影响,以规划标准路径,保证经济、高效且高精度。以工业机器人为研究对象,建立机器人Denavit-Hartenberg(D-H)参数模型,对其结构和连杆参数进行分析,推导运动学方程,利用MATLAB Robotics toolbox分析验证机器人正、逆向运动学的正确性。在工业机器人运动学模型的基础上进行轨迹规划,分析了在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划方法,在MATLAB Robotics toolbox环境下对三次和五次多项式插值法等多种不同轨迹进行仿真,得出在关节空间中采取高次多项式插值法进行标准轨迹规划的初步结论,验证了关节轨迹的平顺性,保证测量设备的速度和连续性。为后续研究轨迹对不同测量设备的影响,规划标准路径进行测量设备的溯源提供理论基础。     

一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人

为了在机器人辅助远程介入手术中实现向医生提供高精度的力反馈,设计了一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人,其是一个主从控制系统,包括一个操作方便的主端装置和一个递送导丝/导管的从端装置。首先,设计了血管介入手术机器人的力检测机制,以实现轴向近端力的精准测量和径向夹紧力的感知。然后,基于血管介入手术机器人的动力学分析,设计了具有在线整定参数功能的模糊PID (proportional integral derivative,比例积分微分)控制器,以提高从端装置的递送精度和抗干扰能力,同时选择阶跃信号对所设计的模糊PID控制器进行仿真验证。最后,搭建血管介入手术机器人物理样机,并开展主从运动跟踪实验和轴向近端力、径向夹紧力检测评估实验。实验结果表明,该血管介入手术机器人具有[-0.31, 0.25] mm的运动跟踪误差,可检测平均误差为0.12 N的轴向近端力以及可感知0.47～4 N的径向夹紧力。研究结果验证了所设计血管介入手术机器人的鲁棒性以及其力检测机制的可行性,可为同类产品的设计和改进提供参考依据。     

利用校正球进行机器人结构参数识别的方法

机器人末端执行器的运动轨迹是由多个构件共同协调运动决定，构件的结构参数误差必然影响到末端执行器的位姿，所以如何识别结构参数非常重要。中提出一种利用校正球和相应的算法进行结构参数识别的方法，并在西安理工大学研制开发的FMM10-680机器人上进行了验证。     

基于五次多项式的码垛机器人轨迹规划

目的为了实现多轴码垛机器人速度和加速度变化曲线光滑、稳定,简化轨迹规划算法。方法介绍码垛机器人结构,并在码垛机器人结构基础上对码垛机器人运动进行分析,在关节空间下提出一种五次多项式插值的码垛机器人轨迹规划方法,利用五次函数对码垛机器人各个关节速度和加速度进行拟合插值。结果仿真结果表明,五次多项式轨迹规划方法拟合曲线更加光滑,同时保证速度和加速度无突变,保证了码垛机器人运动过程更加平稳。结论该轨迹规划方法能够保证码垛机器人按照预定的轨迹实现速度和加速度的平滑过渡,提升了码垛机器人运动精度。     

新型四自由度3T1R并联机器人机构运动学分析与优化设计

目的 针对自动化生产线分拣需求,提出一种新型四自由度的三平移一转动（3T1R）并联机器人机构。方法 根据方位特征集设计理论验证并联机器人机构的运动性质。利用机构的构型特点建立运动学方程模型,对其进行位置正解和逆解的分析,通过数值法搜索得到并联机器人机构的工作空间图形和转动能力等高线图。同时分析并联机器人机构的雅可比矩阵JX以及奇异性。最后以工作空间最大化作为适应度函数,基于遗传算法对机构结构尺寸进行最优化分析。结果 该机构操作空间具有规则形状、无空洞、较大的特点,优化后的并联机器人机构工作空间性能提升45%。结论 操作空间内运动灵活性较好,优化后工作空间性能得到显著改善。在电子包装自动化生产线搬运分拣领域具有较好的应用前景。