微创手术机器人主操作手设计与优化

主操作手作为机器人辅助微创外科手术中人机交互的唯一接口,提高其灵活性和紧凑性,对手术效果具有重要意义。设计了一款8自由度(Degree Of Freedom,DOF)串联型主操作手,其能够实现位置、姿态和开合力矩输出。采用改进的D-H参数法和解析法,分别建立了主操作手正运动学和逆运动学模型,并通过蒙特卡洛法分析了主操作手工作空间,验证了其设计要求;求解了主操作手雅可比矩阵,基于全局灵巧度指标和工作空间利用率指标,定义了主操作手的综合性能指标;利用遗传算法对主操作手的关键连杆尺度参数进行了优化。结果表明,优化后主操作手的综合性能指标相对于优化前提高了18.41%;主操作手在满足工作空间设计要求的基础上,机构更加紧凑且具备了良好的运动性能。

冗余驱动的平面并联操作手的输入力优化

介绍了带冗余驱动器的平面并联操作手的两种结构,基于动力学方程分析了它们对不同的优化目标的输入力最优化问题.结果表明,加入冗余驱动。

单手操作手机时常见拇指动作关节角度与接触力测量和分析

目的研究单手操作手机时拇指的关节角度与接触力,分析拇指关节的关节角度与接触力的生物力学特征以及影响因素,为拇指狭窄性腱鞘炎的预防、康复以及治疗提供生物力学依据。方法使用Vicon光学运动捕捉系统和电阻式薄膜力传感器采集大学生志愿者单手操作手机时拇指关节角度和指尖接触力,并对人体参数、关节角度和接触力进行统计学多因素相关性分析。结果通过仪器测量得到单手手机操作时上滑、顺时针转、右点、左点、左滑等动作的关节角度与接触力;统计分析表明,手长、拇指总长对各关节角度均值和最大接触力有显著影响(P<0.05),且手长与掌指关节角度均值、最大接触力基本呈负相关。结论减小拇指运动幅度避免拇指过伸或过屈,或减少使用手机的频率,或减少操作手机的作用力,可以一定程度上减少拇指屈肌腱和腱鞘与骨纤维管道的摩擦力以及相互之间的挤压力,从而可以减少拇指狭窄性腱鞘炎的形成。

并联微操作手的运动学分析

对6自由度并联微操作手的运动学进行了深入研究。此操作手是一个6－6型、PSS副、带柔性铰且由压电驱动的微动并联平台。针对其微动特性，利用摄动旋转齐次变换矩阵，建立了并联微操作手的运动学方程，导出输入、输出位移的雅可比矩阵。该矩阵在整个微小运动范围内，可近似为常数阵。最后用计算机仿真分析了引入常难可比矩阵的微操作手运动误差，结论证明了简化的合理性和有效性。

压电陶瓷管驱动三自由度微操作手的研究与应用

基于机构、驱动、检测一体化的设计思想 ,研制出压电陶瓷管驱动的三自由度微操作手 ,研究了微操作手的建模、驱动与位置检测 ,给出了静力学建模公式 ,研制出双极性压电陶瓷驱动电源、微位移检测电路 ,并构成高精度位置闭环控制系统 ,实现了纳米级微动定位。最后以微操作手为核心构成微操作机器人系统 ,通过微操作手的微动调整 ,成功完成了直径为 0 .2 m m轴孔零件的微装配任务。

基于压电陶瓷管的三自由度微操作手建模与实验

微操作手是微操作机器人的重要组成部分 ,文章把压电扫描器的工作原理应用于微操作手的设计中 ,研制出压电陶瓷管驱动的三自由度微操作手 ,实现了机构、驱动、检测一体化设计 ,通过对四分压电陶瓷管的变形进行静力学分析 ,建立了微操作手微位移量与驱动电压的关系 ,修正了用几何法建立的公式 。

一种新型半对称三平移一转动(3T1R)并联操作手的运动学研究

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,提出了一种能实现三平移一转动(3T1R)的2RRPaR+2RSS并联操作手机构。对该机构进行了结构特性分析,计算了其自由度及POC集,并得出其耦合度为2;依据该机构的结构特性及几何约束条件,采用二维搜索法对该机构的位置正解进行了求解,推导出了其位置逆解,并验证了位置正逆解的正确性;基于该机构的逆解公式,计算出其三维工作空间,并得到了一组Z向不同截面的切片形状,同时对Z=1000 mm截面处的转动能力进行了分析;最后,基于雅可比矩阵对机构奇异位形进行了分析。研究结果表明:所提2RRPaR+2RSS机构在与H4机构主要尺寸参数相同的情况下,其工作性能总体优于H4机构。与H4机构相比,所提机构的工作空间增加了27.87%,其转动能力提高了4.35%。

微创腹腔外科手术机器人主操作手优化与分析

针对腹腔镜手术的要求,以及主操作手性能指标和主操作手设计原则,把主操作手设计为具有冗余自由度的串并联混合型结构并进行了自由度的相应配置.并联机构实现从手3个位置参数的控制,串联机构是一个4自由度的冗余机构,实现从手3个姿态参数的控制.在运动学层面上,引入全域性性能指标和全域运动性能波动指标,利用遗传算法对并联机构进行优化设计,根据优化后的杆件参数计算出主操作手的工作空间,满足设计需求.并分别对串并联机构灵巧度进行了分析,通过仿真分析验证了主操作手的工作空间无奇异点,串联机构通过增加冗余自由度使得灵巧度得到了提高.

解耦三轴平面并联操作手的新机构及分析

为适应大幅面光电产品检测和大型工件操作(加工、焊接、喷涂)时变位姿的需要,提出一种结构简易的3滑块在3个平行导轨上驱动且易实现大工作空间的平面型解耦并联操作手的新型机构,推导了该机构运动学正反解解析公式,计算了末端执行器在定位置和定姿态情况下的工作空间,仿真分析了定姿态时3滑块的运动规律及特性,建立了三维虚拟样机模型,为其物理样机研制、实时控制及工业应用奠定了基础。

六自由度操作手的逆运动学问题

本文将六自由度操作手分解为位置结构和姿态结构，利用转换矩阵法对两结构进行了详细的逆运动学分析，在此基础上建立了操作手的运动学求逆算法，与一般的迭代算法或优化算法相比较，本算法收敛速度快￣［１］，而且能得到满足约束的全部解，与解析方法相比较，它具有通用性的优点，尤其适用于机器人仿真系统中。

力反馈主操作手附加力的补偿策略研究

针对力反馈主操作手的连杆重力、关节摩擦力以及惯性力影响医生真实感知反馈力信息的问题,建立了一套完整的动力学模型。基于力反馈主操作手动力学模型,分别建立了主操作手的重力补偿模型、摩擦力补偿模型以及惯性力补偿模型。通过力补偿控制策略来消除力反馈主操作手本身所具有的重力、关节摩擦力以及惯性力伴随关节运动对反馈作用力造成的干扰,实现了医生的真实力觉感知,从而提高了微创手术的精度。

并联3-2-1结构新型微操作手及其承载能力分析

以并联 6 -PSS 3维平台机构为原型 ,用柔性铰链替代球铰 ,用柔性框架替代直线移动副 ,设计了一种新颖的并联 3 - 2 - 1结构的 6自由度微操作手。介绍其结构特点 ,推导出输入输出微位移方程并对其承载能力进行分析 ,为其设计和使用提供理论依据。这种微操作手具有分辨率高 ,微位移解耦 。

基于神经网络的机器人操作手IKP精确求解

结合位置正解模型 ,利用 BP网络求解了机器人逆运动学问题 (IKP) .为提高求解结果精度 ,采用迭代计算进行误差补偿 ,计算结果表明 ,该法迭代次数少 。

微操作手自由度的选择

分析了显微操作的动作方式 ,讨论了微操作手的运动特点 ,按照位置和姿态的耦合及解耦两种情况 ,研究了微操作手自由度确定的理论依据。

基于压电陶瓷驱动的微操作手研究现状

微操作手是微操作机器人的重要组成部分 ,首先介绍了国内外研制的几种典型微操作手。在此基础上 ,对于微操作手的关键技术 ,从机构、驱动、传感、检测几个方面进行了论述 ,在机构上 ,介绍了微位移定位机构的特点 ;在驱动方式上 ,论述了压电陶瓷的驱动方法 ;在微位移检测上 ,介绍了几种纳米微位移检测手段。最后 ,阐述了微操作手的发展趋势 :微型化、集成化、智能化 。

一种新型双并联主操作手构型设计

提出了一种新型双并联结构的主手构型 ,由于采用了平动与转动分离的两层并联结构 ,在保证了结构紧凑的同时 ,实现了运动空间的最大化 ,平动与转动的完全解耦特性大大减小了空间内出现奇异的可能性。另外 ,采用柔性传动方式实现了转动机构运动与驱动部件的分离 ,将所有驱动部件固定于基座 ,有效地减小了运动惯量 。

具备多操作手协调的微装配机器人系统

针对微零件装配工艺需要,研制了一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统.该系统包括2个四自由度的主微操作手和1个三自由度的辅助微操作手,三手各司其能,相互配合完成微装配作业.采用双光路正交立体显微视觉完成微装配过程的监测以及操作手和装配对象空间位置与姿态信息的获取.根据微零件形状、大小和材质的差异,研制了真空吸附式和压电双晶片式微夹钳完成装配对象的夹取与放置操作.采用人机交互的半自主方式控制机械手进行微装配作业.微装配实验证明系统工作可靠有效,目前微零件最小装配精度可达30μm.

基于微创外科手术机器人操作手的夹持灵活度研究

为了反映外科手术机器人六自由度操作手的指尖在夹持点对物体的夹持能力,分析了夹持时指尖的姿态、夹持物的姿态及两者的关系.推导了指尖在夹持点对处于任意姿态的物体进行夹持时所需姿态的解析表达式,并借助姿态球给出了夹持灵活度的定义.研究了本机构工作空间中离散点的夹持灵活度,确定了指尖夹持的灵活空间,并通过SimMechanics进行了仿真验证.

并联微操作手运动空间分析

工作空间分析是设计微操作手的一个重要因素。对微操作手的定姿态工作空间和不定姿态工作空间进行研究：对定姿态工作空间采用一维搜索法求得边界点;对不定姿态工作空间，利用微操作手的激动特性，使用MonteCarlo法求得工作空间的边界曲面。用实例进行仿真计算，同时考察结构参数对工作空间的影响，得到一些规律性的变化关系，结果可以指导微操作手实际结构参数的确定。

一种方向盘上操作手数目检测算法

提出一种基于机器视觉检测方向盘上操作手数目的方法。首先确定图像中方向盘的位置,计算方向盘在椭圆区域的尺寸参数,进而获得方向盘椭圆形中心线上点的坐标,以此坐标点为中心截取30×60大小的窗口为感兴趣区域,并将截取的感兴趣区域倾斜角度作归一化处理。归一化之后的感兴趣区域经直方图均衡化和二值化等预处理操作后,利用双阈值判定法判断单一感兴趣区域中是否有类似手形存在,再以特定步长沿椭圆中心线按逆时针方向搜索全方向盘区域,根据方向盘的V-φ图形判断方向盘上的操作手数目。