基于动力学模型的手术器械夹持力估计研究

手术器械夹持力估计问题一直是微创手术机器人手术器械研究的重点。在微创手术过程中,夹持力过大会造成组织损伤,夹持力过小会使缝合针等脱落,引发危险。因此,研究如何估计手术器械夹持力是非常有必要的。根据手术器械的结构特点,提出了一种基于动力学模型的夹持力估计方法。建立的模型考虑了手术器械动力学模型、丝传动系统力和位移传递特性和直流电动机特性,得到了手术器械电动机电流和夹持力之间的关系;通过Matlab对夹持力模型进行仿真验证,得到了手术器械末端执行器随电动机电流变化的夹持力变化曲线。仿真结果表明,基于动力学模型的手术器械夹持力估计模型与实际情况相符,为后续的手术器械夹持力安全保障研究提供了理论依据。

测试质量锁紧机构的力封闭分析及夹持力优化

测试质量锁紧机构是引力波探测器的重要部件之一,但是基于力封闭理论分析锁紧机构鲜有报道,本文从力封闭的角度对锁紧机构进行分析,为锁紧机构的设计及后续的研究提供理论支持和参考。根据力螺旋理论,建立了顶杆与测试质量的抓持矩阵,采用力封闭原理分析稳定夹持时接触力与测试质量所受外力的关系;通过对夹持质量指标的分析,得到最优的接触点位置,验证锁紧机构的可靠性;将夹持力优化问题转化为求解非线性规划问题,采用MATLAB软件中的fmincon函数对接触力进行优化,得到最优的夹持力,并通过ANSYS Workbench软件进行有限元分析,得到测试质量最大变形量为0.4μm,满足设计要求。

盾构机换刀机器人抓取机构夹持力建模分析

针对锁钩-销轴式的滚刀抓取机构,基于目前一种适用度较广的间隙接触力模型,考虑接触面摩擦力,建立由滚刀及拆装机构的重力传递至油缸夹持力的数学模型。分析水平工况和竖直工况这2种特殊工况的夹持力模型,进而推导其他工况的抓取机构夹持力模型,并采用ADAMS进行仿真验证。基于换刀机器人试验台开展不同工况下的滚刀夹持状态分析,最后进行对比分析。研究结果表明:夹持力模型计算结果与仿真以及试验结果基本吻合,验证了夹持力模型的正确性,为盾构换刀抓取机构的夹持力输出提供了理论支撑。

机器人气动夹持力的CNN-LSTM建模估计方法

由于气动系统具有迟滞、强非线性特性,难以直接依据气压信号实现气动夹持力的有效控制,因此采用建模估计夹持力是实现无力传感器低成本控制的有效途径。为此,提出一种基于卷积神经网络(CNN)优化的长短期记忆神经网络(LSTM)低成本气动夹持力估计方法。根据工业机器人末端气爪夹持力与气路历史输入/输出有关的特点,采用了具有记忆特性的LSTM网络建立无传感器气压/压力估计模型;针对直接采用LSTM网络进行建模存在误差大的问题,利用CNN提取输入信息中气压和夹持力的非线性关系,进一步对LSTM网络结构进行优化,提高模型描述气压和夹持力之间多值对应特性与非线性迟滞特性的能力,实现气爪的夹持力有效估计。实验结果表明:相比LSTM预测模型,所提模型的建模估计与验证估计均方根误差分别减少77.14%和70.83%,最大误差分别减少79.80%和78.84%,证明了所提建模估计方法的有效性。

手术机器人夹持力检测技术进展

夹持力检测是医疗机器人进行手术的必要手段。在手术过程中,通过检测夹钳的夹持力,然后反馈给医疗机器人控制系统进行调整操作,可避免因夹持力过大对患者人体组织造成不必要的损伤。本文回顾了近6年有关医疗机器人夹持力检测方面的研究情况,总结了目前6种医疗机器人夹持动作力检测的实现技术,并对其原理、性能、应用前景进行了对比,最后对手术机器人未来的发展做了展望。

基于STM32的机械手夹持力控制系统设计

为保证被夹持物品的完好以及机械手夹持的稳定性,提出了基于STM32的机械手夹持力闭环控制系统,该系统主要解决了在机械手夹持过程中夹持力控制问题。采用PID为控制策略,CAN总线为通讯方式,创新地提出无外置传感器的方式,实现机械手夹持力闭环控制。

一体式蔬菜钵苗取苗爪夹持力检测传感器设计与试验

针对入钵夹取式全自动蔬菜钵苗移栽机取苗爪体积小,夹持力检测传感器结构与安装方式干涉取苗爪正常取投动作、影响自身精度与使用寿命等问题,本文选用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜作为传感器介电层,设计了一种内置式钵苗夹持力传感器,并通过嵌入方式实现取苗爪与传感器一体化设计。建立穴孔、钵体基质、取苗爪仿真模型,应用LS-PrePost软件对取苗过程进行耦合仿真,得到取苗爪与钵体基质接触部位最大受力区域,确定了取苗爪与传感器的结构与尺寸;设计夹持力信号检测系统,将硬件电路与采集软件结合,完成电容量-电压转换、信号放大、噪声滤除,实现夹持力信号的采集、处理、显示与保存等功能。为验证传感器性能,进行传感器标定试验与室内验证试验。标定试验表明,在不同振荡频率下,夹持力传感器平均灵敏度为0.3728 N/V,平均线性决定系数为0.9892,精度为7.548%,量程为7 N,满足移栽过程中夹持力检测的准确度要求;室内验证试验表明,夹持力检测传感器具有良好的稳定性与适应性,可用于移栽机取苗机构夹持实时精准检测。

插座插套的夹持力系数衰减因素研究

插套是插座的核心部件,其性能直接影响到插座的寿命和安全。插套的一个最主要性能是拔出力,必须在规定范围内,低于这个范围,因难以夹住插头,则判定失效。拔出力与插套的材料、造型、尺寸相关,对于一个特定的插套,其初始拔出力是一定的,可以用夹持力系数表示。但随着使用次数的增加,夹持力系数会衰减,从而使得拔出力降低。如何延缓夹持力系数的衰减,是摆在插座生产厂家前面的一个课题。

压电微夹钳钳指位移与夹持力的检测

为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落,提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳,该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法,分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明:敏感单元的最大应变部位靠近其底端,钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比;实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系,标定结果表明两种关系均为线性关系;最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明:在150V的最大电压下,不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35μm,夹持Φ0.3mm、长8mm的微轴时钳指的夹持力为9.24μN。

重载锻造操作机夹持力研究

对重载锻造操作机夹持力计算的重要性和困难性进行分析,指出钳口表面有别于一般意义上的机械手夹持面。并将夹持装置钳口与锻件接触面之间简化为钳口凸齿与锻件挤压槽的作用,提出一种夹持力计算的思路。根据使用工况,将钳口工作分为夹紧状态和夹持状态,阐述两种状态的工作特点和作用,建立工件夹持状态下的受力模型,计算夹持状态下钳口在水平和垂直两个位置时的夹持力。用放大系数修正后的夹持力确定钳杆夹紧液压缸输出力,实现夹紧状态时钳口与工件之间形成充分的凹凸齿作用,以保证钳口夹持状态时能够输出最大夹持力矩。结合钳口与工件接触表面的结构特点和作用,提出钳口凸齿设计的思路和原则。实例计算和虚拟样机仿真证明计算结果有效。

西瓜采摘末端执行器夹持力精确控制

为实现西瓜的机械化采摘,该文提出了采用液压驱动型末端执行器采摘大型果实的思路。在抓取西瓜时,为避免末端执行器夹持力不稳定引起的果实损伤,需对夹持力进行精确控制,该文建立了末端执行器负载模拟平台和AMESim&Simulink联合仿真模型,模拟西瓜采摘夹持力的加载情况。针对执行器夹持力加载过程中位置控制系统对力控制系统产生干扰,影响夹持力精确加载的问题,该文基于速度同步控制原理,设计了简化的加载误差补偿环节,开展了加载误差补偿理论、仿真及试验研究。结果表明,速度同步控制方法能够有效地减小加载误差,提高末端执行器负载模拟精度。该研究可为末端执行器输出力的精确控制和抓取控制策略提供参考。

基于AMESim的连续管注入头夹持力动态特性研究

连续管油气井井筒作业中存在较多问题,包括连续管溜管、打滑和咬伤等,严重影响作业的安全性和连续管寿命。从夹持系统液压缸压力振动入手,研究了连续管振动对连续管注入头夹持系统夹持力产生的影响,求解了夹持力的动态特性。根据夹持系统结构和工作原理,建立了夹持系统力学模型和简化的两自由度物理系统,运用AMESim软件仿真方法得到了影响夹持力动态特性的主要因素及其影响规律。研究结果表明:夹持力振动与液压缸压力振动具有正相关性;液压缸压力振动频率较大时,夹持力振动振幅随频率增大而减小;夹持系统等效刚度对夹持力的振动幅度影响较大。仿真分析结果可用于指导连续管夹持系统结构设计和连续管作业操作。

巨型重载夹持装置动态夹持力建模与承载能力分析

针对巨型重载操作机的夹持装置,以广泛使用的压杆式夹持装置为研究对象,建立从驱动力至夹持力的包含摩擦力矩、惯性力和锻件半径影响的力学模型,主要考察钳口处于垂直和水平两个特殊位置,并利用动力学仿真软件ADAMS进行动态仿真,模型计算值和ADAMS仿真值比较吻合,证明所建数学模型的合理性。采用所建力学模型,对夹持装置承载能力的影响因素进行分析,为探讨大尺度时变重载工况下夹持装置承载能力和建立其评价指标提供理论支持。

基于多点模的板材柔性夹钳拉形夹持力

简单介绍了板材柔性夹钳拉形(FGSF)工艺,提出了其夹持力的理论模型和计算方法。建立了有限元模型,采用动态显式算法对不同材料、不同板厚的圆柱面、球形面及马鞍面的基于多点模的FGSF过程进行了数值模拟,分析了夹持力的变化及影响因素。模拟结果表明:材料和板厚对工件拉形时夹持力的影响非常敏感,较硬、较厚的板材拉形时需要较大的夹持力;双曲率工件成形时所需的夹持力明显大于单曲率工件。本文研究结果对板材柔性夹钳拉形装置的结构优化设计与实际板材拉形工艺的研究都有重要的参考价值。

锻造操作机夹持状态分析与夹持力研究

以被夹持工件的额定重力及重力矩确定钳口的夹持力是锻造操作机夹持装置结构设计的前提。针对传统夹持力确定方法所造成的计算结果误差较大,无法有效指导夹持装置结构设计的问题,分析了锻造操作机的实际应用工况,明确了理论分析与实际应用存在的差异,提出了基于被夹持工件在允许下垂偏转的倾斜状态下进行锻造操作机夹持分析的钳口受力模型。利用受力模型分析了钳口在垂直和水平状态的夹持力,并以此建立了钳口在任意旋转角度的夹持力方程,求解锻造操作机在满足工件下垂偏转条件时钳口对工件的最小稳定夹持力。根据研究结果,以300kN锻造操作机结构参数为例,计算了夹持装置的钳口夹持力,建立了锻造操作机钳杆在ADAMS环境中的虚拟样机并进行运动仿真,分析结果表明了夹持力计算方法的有效性。

夹持力对填充孔复合材料层合板层间应力的影响分析

提出了采用螺栓填充孔形式研究复合材料层合板连接接头孔边层间应力分布规律,并建立了含零厚度界面胶层的三维有限元模型对受面内拉伸载荷的层合板孔边层间应力进行求解。结果表明:层间正应力沿孔分布主要受螺栓夹持力影响,相同夹持力下,不同界面层的层间正应力集中在同一范围内波动;层间剪切应力既受到螺栓夹持力影响又与界面层的类型有关系,如[-45/90]和[0/-45]界面层层间剪切应力整体取值大于其他界面层;螺栓夹持力引起的层间正应力主要为压应力,对层间强度有益,但同时产生的层间剪切应力不利于层间强度的提高,因此存在合适的螺栓夹持力使复合材料接头具有良好的孔边层间强度。

具有环形限位夹持力的单轴式超声悬浮系统

基于超声悬浮原理,通过改变单轴式超声悬浮系统的反射和发射端的几何形状,利用凸状发射、反射面在悬浮区域周围产生环形声辐射力势阱作为限位夹持力,提高悬浮样品在驻波声场中的悬浮稳定性。基于时域有限差分法,研究不同谐振腔内的声辐射力分布,以及影响声辐射力大小的因素,优化环形限位夹持力和悬浮力。理论及实验研究结果表明,具有环形限位夹持力的超声悬浮系统可以提高普通单轴式超声悬浮装置对悬浮样品的稳定性。

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。

具有交互夹持力感觉的主从触感装置

面向血管显微外科手术,研究开发了一套具有交互夹持力感觉的主从触感装置．提出了主操作手的基本设计原则,并应用可操作性基本原理与方法进行机构构型综合,设计了主操作手的夹持力感觉装置;建立了主操作手的多体动力学模型,对运动过程中各关节动态特性进行仿真验证;基于夹持力的数学模型,分析了手指系统在不同模式下夹持力与运动关系．对整套系统进行性能测试与动物实验研究．实验结果表明:主操作手基于可操作性原理的综合构型具有较好的动力学特性,适合医生操作;手指的夹持力与两弹簧的弹力差成正比;该装置能够实现主从操作下的交互夹持力感觉．

重型构件夹持机构驱动力与夹持力关联模型研究

建立了含摩擦转动副大型夹持机构的夹紧力模型,并在此基础上对典型重型夹持机构力的传递进行分析,建立了含摩擦转动副重型夹持机构液压缸输出力(驱动力)与钳口夹持力之间的关联模型,并通过实例计算验证了此模型的准确性,为重型构件夹持系统设计提供了理论依据。