基于代价地图的活检路径规划研究

穿刺活检手术作为多种疾病早期诊断最常用的技术之一,需要将一根细长的穿刺针刺入组织以获取组织标本,因此,穿刺路径的安全性和精确性对活检手术准确率和术后恢复至关重要.针对机器人辅助下的穿刺活检手术,本文提出了一种基于代价地图的穿刺路径规划方法.首先,将包含三维规划空间大小、空间中障碍物位置、形状等信息的原始地图作为输入,根据人工势能场理论构建代价地图,以定量评估障碍物以外空间的风险程度.其次,考虑带有斜尖的穿刺针插入组织中产生的实际偏转,采用非完整运动学模型作为穿刺针的偏转预测模型.在模拟解剖结构特征的障碍物环境下,使用代价地图计算可行入刺区域中不碰撞穿刺路径的代价值,并采用模拟退火算法进行优化,获得安全可行的穿刺路径以指导机器人执行的自动穿刺过程.最后,在自制的仿生模型中设计模体实验,分别按照传统直线穿刺路径和本文规划方法得出的安全穿刺路径执行自动穿刺操作.实验表明,按照规划路径进行穿刺的实际穿刺路径与规划路径较为相符,靶点穿刺误差在1.5 mm以内,较传统直线路径穿刺精度提高80%以上,且较临床的靶点穿刺误差(5.5~5.6 mm)有明显降低.实验结果表明该运动规划方法能够为机器人辅助下的自动穿刺手术规划出安全合理的穿刺路径,有效提高自动穿刺手术的安全性和精确性.

基于时间函数的并联六维力传感器量程设计

针对并联六维力传感器设计与制造过程中面临的解耦计算复杂、量程确定困难、实用性不强等问题,应用螺旋理论,推导了其受六维外力向测量分支反作用力的映射矩阵;基于工程实际,提出并建立了并联六维力传感器测量分支作用反力的时间函数模型;提出了一种在特定工作环境下测量分支量程的确定方法。以Stewart并联结构为例,针对曲面打磨作业,确定了其测量分支的量程,验证了时间函数模型的正确性和可行性。研究内容对提高并联结构六维力传感器的工程应用性有重要的实践价值。

并联水泥装载机器人运动学研究

针对当今水泥装载行业的实际需要,提出一种自动水泥装载机器人,并设计开发出一种结构简单、驱动部件少、控制简单的并联水泥搬运机器手。介绍了该机器人的整体结构方案,确定该机器人的可行性与实用性。介绍了并联搬运机械手的基本结构组成并计算自由度,验证了该机构运动的确定性,并建立了运动学数学模型,得出其位置、速度及加速度的运动学逆解解析形式。通过运动学分析,为驱动机械手的伺服电机合理选型及机构的设计和进一步优化提供了参考。

施釉机器人的虚拟建模和交互技术

利用虚拟实现技术在仿真环境中,对施釉机器人进行虚拟示教,完成复杂轨迹的规划。在VS2010开发环境下,采用工业标准图形接口OpenGL进行示教系统的开发,并完成三维虚拟模型的建立。应用GLUT实用工具库进行三维环境的设置,以机器人的自由度、工作空间为基础,绘制机器人的三维模型,并且建立示教辅助平面,配合针对示教的计算方法以及计算机的输入设备,实现人机交互操作。开发出五自由度施釉机器人的虚拟现实系统,并且针对机器人的示教过程,完成了满足示教使用的计算方法。施釉机器人可以完成符合运动学规律的交互运动,证明了示教系统的实用性和计算方法的正确性。

袋装水泥装车机器人控制系统设计

针对袋装水泥装车过程中高速、重载、工作空间大等要求,提出一种新型袋装水泥装车机器人机构,研究了装车机的整体运动方案和机械手部分的运动规律,基于多项式插值法对机械手进行了运动轨迹规划,根据其运动轨迹和工作原理设计了相应的控制系统,并进行了装车机械手控制系统硬件组态,搭建了基于三菱Q系列PLC+Motion CPU模块的控制系统。研究了8轴联动的运动控制、连续轨迹控制等技术,开发了装车机器人控制程序,实现了袋装水泥装车机器人的自动控制。

新型并联式六维力传感器及静态性能分析

针对传统并联式六维力传感在分支布局和测量性能上的不足,提出一种分支水平和竖直布置的新型并联式六维力传感器,并对六维力传感器静态性能进行研究。首先介绍了新型并联式六维力传感器的结构特点和测量原理,建立了该传感器的数学模型,基于螺旋理论推导出传感器所施加外力与测量分支轴向力之间的映射关系。推导出六维力传感器线性度和重复性指标,用于评价六维力传感器的静态性能。最后利用传感器样机实验数据验证了所推导性能指标的可能性和有效性。

男性盆腔器官群实体模型的研制与实验研究

目的 在前列腺穿刺手术中，穿刺针和组织器官的变形会对手术精度产生很大影响。因此深入的穿刺实验研究和大量的手术训练对于提高手术治疗效果十分必要。为了便于实验研究及手术训练的开展，笔者研制了男性盆腔器官群实体模型，并进行了相应的实验研究。方法 根据人体核磁共振扫描图像进行盆腔器官群三维重建后，设计单体器官模具。采用一种新型聚乙烯醇（PVA）水凝胶，通过调整其成分配比及制作工艺得到满足不同组织生物力学特性的仿生材料，分别制作相应的单体器官模型；将单体器官依据人体解剖学结构进行装配，并模拟人体盆腔内环境；最后以制作完成的器官群模型进行穿刺力和穿刺变形实验。结果 穿刺力实验数据表明此模型对器官群模型的力学特性符合实际手术中穿刺力的变化规律。穿刺变形实验中，通过超声图像可清晰显示出穿刺针和组织器官的形变，说明器官群模型具有较好的超声成像效果。结论 男性盆腔器官群实体模型能够满足穿刺实验研究以及穿刺手术训练的需求，可为进一步提高穿刺手术的精度及穿刺手术的推广奠定基础。

水泥装车机械手运动学分析与仿真

针对水泥装载行业的实际需要,设计开发一种袋装水泥自动装车机。提出一种结构简单、驱动部件少、控制容易的装车机械手。介绍了串并混联式的自动装车机整体设计方案和基于并联机构的装车机械手基本结构组成,建立了机械手运动学模型,得出位置、速度及加速度的运动学逆解解析式。在机械手末端运动轨迹规划的基础上,将运动学导入Matlab软件进行运动仿真计算,绘制出机构的位置、速度及加速度的变化曲线,为机械手机构的机械设计和优化、驱动伺服电机的选型提供参考。