基于Matlab的机器人工作空间求解方法

在对现有的机器人工作空间求解方法对比研究的基础上,提出了一种新的基于Matlab的机器人工作空间求解方法——仿真法,利用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱,根据机器人的结构进行建模,利用仿真的形式跟踪手臂末端轨迹,并记录其末端点到达的位置坐标,绘制和计算出机器人工作空间。此求解方法克服了传统方法中对机器人运动学正、反解求解的弊端,也克服了利用极限理论编程运算的复杂。笔者将仿真法与蒙特卡洛法进行比较,结果证明仿真法得到的工作空间,不论是求解速度、图形效果还是数值计算结果均优于蒙特卡洛法。

基于改进RRT算法的套管柔性针运动规划

运动规划是运动控制的基础,然而套管柔性针穿刺软组织的运动规划问题面临着巨大的挑战:一方面由于套管柔性针的运动是个非完整约束运动,另一方面要求套管柔性针绕过人体的某些生理结构障碍和敏感组织准确穿刺靶点。基于分析现有运动规划算法存在的不足,提出基于改进的快速探索随机树(RRT)的套管柔性针运动规划算法。提出贪婪启发策略并结合可达引导策略来改进传统RRT算法;引入直线段路径,采用直线、曲线结合的路径形式;同时考虑入射姿态的规划。基于套管柔性针的运动学模型,分别在二维和三维有障碍环境下进行仿真研究。结果表明,所提出的运动规划算法不论是在运算速度和收敛性上还是在路径形式和搜索的鲁棒性上都优于目前普遍采用的运动规划算法。这些优势为将来的实时运动规划奠定基础。最后对规划的路径进行了穿刺实验,结果证明实验路径与规划路径十分吻合,验证了所提出的路径规划算法的正确性和规划路径的可行性。

柔性针的运动学建模及实验研究

针对带斜尖的柔性针的运动学建模问题,首先简化了WlebsterⅢ等人提出的柔性针非完整约束系统的自行车模型,提出了自行车前、后轮模型.在此基础上,以实际轨迹和误差分析为依据,提出了更符合实际的带返程的自行车模型.采用最小二乘法拟合实验数据,求得模型中各参数.结果表明,带返程的自行车模型远远优于不带返程的模型,其中带返程的前轮模型又优于带返程的后轮模型,且模型的最大误差和误差的均方根都足够小,与实际轨迹吻合度好.

基于TRIZ理论的抽油烟机叶片清理机的设计

针对抽油烟机及复杂叶片难以清理的现状,基于优化设计和TRIZ理论设计了一种抽油烟机叶片清理机。采用模块化设计,主要包括传动模块和清理模块,对于每个模块都进行了创新设计,制作了模型。对清理机的运动状态进行了分析,结果证明刷头的运动轨迹与叶片吻合性好,清理更有效。并在此基础上,根据TRIZ理论,对清理机模型提出了一些改进方案。

应用TRIZ理论的套管柔性针穿刺机构设计

针对套管柔性针穿刺机构结构复杂的问题,依据穿刺运动自由度的要求,利用套叠发明原理,提出套管和针芯驱动机构套叠在一起的方案,有效地减少了穿刺机构的体积和重量,使结构更加紧凑.对套管柔性针在穿刺时需要支撑的问题,分别采用提取和分离发明原理,提出采用离散的支撑块的方案,有效地缩短穿刺机构的尺寸和柔性针不可利用段的长度.利用物-场分析的方法,采用弹性连接带将各支撑块铰接在一起,实现联动,实时调整穿刺过程中支撑块间的位置,增强支撑效果.

基于有限元的套管柔性针穿刺软组织弯曲建模研究

套管柔性针作为柔性针的一个重要分支,与其他传统的柔性针相比,在针体路径矫正、穿刺灵活性以及斜尖转角控制精度等方面具有巨大的优势。为深入研究套管柔性针穿刺机理,建立基于有限元的穿刺弯曲模型。分析软组织的生物力学特性,建立了精确的软组织模型;对套管柔性针穿刺软组织进行受力分析,建立力学模型;在力学模型的基础上,建立套管柔性针穿刺软组织的弯曲模型,进行仿真研究。最后通过实验得到穿刺力-时间曲线和针弯曲变形曲线,并与仿真曲线进行比较。结果表明,仿真结果符合实验穿刺力的变化趋势,系统弯曲误差在2 mm以内,满足医学上的要求,验证了套管柔性针穿刺软组织的力学模型以及弯曲模型的正确性和合理性,为路径规划及控制奠定理论基础。

多种路径形式组合的柔性针二维路径优化

针对斜尖柔性针在二维组织中的路径优化问题,首先引入了针的Unicycle运动学模型,并利用旋量理论和指数积方程计算了运动学正解,从运动学的角度证明了穿刺直线路径的可行性。基于运动学模型,分析了柔性针穿刺路径的形式,考虑入针姿态的优化,提出了采用多种路径形式组合的路径优化算法,建立了优化目标函数。在有无障碍两种情况下分别对针的穿刺路径进行了优化计算和仿真研究。仿真结果证明,采用该算法能有效地绕过障碍,准确达到靶点,并保证路径最优。在通常临床情况下,最优路径一般为控制度为2的包含直线形式的路径。

医用排牙多指灵巧手的结构参数优化设计

针对排牙多指灵巧手手指的工作状态,通过D-H坐标的建立,借助于雅可比矩阵和一些结构参数优化的评价指标,利用多目标函数优化的方法,并结合排牙工作的特点和多指灵巧手抓取物体的特性建立约束条件,对手指各项参数进行了优化计算。结果证明:此优化能有效减少灵巧手指的长度,使其各标准综合达到最优。得出了包括1个手掌、3个手指、9个回转关节的灵巧手结构。

基于水平集的前列腺磁共振图像分割方法研究

基于前列腺磁共振图像(MRI)特征信息及其病变好发特定区域等先验知识,针对前列腺内外轮廓全分割问题,提出基于边缘距离调整水平集演化(DRLSE)的前列腺MRI两步分割方法。在构建统一水平集能量函数的基础上,第1步基于前列腺MR的T1(纵向弛豫时间)图像实现其外轮廓分割,第2步在外轮廓约束限定条件下,基于前列腺MR的T2(横向弛豫时间)图像实现前列腺的内部轮廓分割,进而完成前列腺内外轮廓的全面有效分割。设计了前列腺分割的人机交互界面,对10个前列腺病例MR图像(含正常、增生和癌变共30幅)进行了分割实验研究,并采用Dice相似性系数(DSC)对分割结果进行评价分析,DSC值达到90%以上。实验结果表明,所提出的基于边缘DRLSE的前列腺MRI两步分割方法能够有效地实现前列腺内外轮廓的全面分割,非常接近于临床专家手动分割的理想结果,对前列腺疾病的临床诊断和治疗有较好的参考价值。

斜尖针穿刺软组织建模及针尖轨迹预测

在经皮穿刺过程中,当带斜尖的针穿刺软组织时,针与其周围组织相互作用,导致针体产生弯曲变形,针尖偏离预定方向,进而直接影响穿刺手术的定位精度。将针穿刺软组织的过程视为准静态过程,并进行离散化,建立针-组织相互作用模型。在该模型中,考虑到软组织的非线性与各向异性,将针视为由一系列非线性弹簧支撑的悬臂梁,且各点的弹簧刚度彼此不同。建立针-组织相互作用中的摩擦力及切割力模型,借助于穿刺实验,将穿刺力分解为摩擦力和切割力,进而获得力模型中的各个参数。基于虚拟非线性弹簧模型和穿刺力模型,根据最小势能原理,采用瑞利-里兹法预测针的偏转,进而获得进针过程中针尖的轨迹。仿真及实验结果表明,该模型能够精确地预测针尖位置,为穿刺路径规划提供理论依据。

大尺寸曲面零件的双目视觉测量网络规划研究

大尺寸复杂曲面零件的视觉检测,需要多个视觉形成视觉网络才能实现完整三维零件重构。针对大尺寸复杂曲面零件的双目视觉测量网络规划问题,提出了一种基于改进的多目标并列选择遗传算法的视觉测量网络规划方法。首先建立双目视觉测量网络的几何模型,得出了双目视觉测量网络的解空间,为评价视觉测量网络规划的优劣,提出了视觉测量网络的覆盖率与分辨率的概念,通过遗传算法在解空间中优选地搜索出最优解,根据覆盖率与分辨率这两个评价指标,得出最优的规划方案。以大型螺旋桨叶片为例,进行双目视觉测量网格规划实验,验证了算法的可行性。

柔性针穿刺路径规划综述

针对斜尖柔性针穿刺路径规划问题,全面、系统地总结了路径规划的研究现状.根据柔性针穿刺路径的特点,将路径分为5种形式,并定义了名称.将路径规划研究按照路径维数、路径形式、规划方向和规划算法进行分类,并分别给出定义.详细总结了4种规划算法的实现及其特点,并提出了路径规划当前存在的问题和未来的发展趋势.

斜尖柔性针在软组织中的二维路径规划

针对斜尖柔性针在软组织中的2维路径规划问题,首先基于柔性针的运动特性,提出了改进的单轮车运动学模型,并利用旋量理论和指数积方程计算了运动学正解,从运动学的角度证明了穿刺直线路径的可行性.基于此运动学模型,提出了采用多种路径形式的路径规划算法,同时考虑入针姿态的优化,建立了优化目标函数.在有障碍的情况下对针的穿刺路径进行了优化计算、仿真和实验.结果证明,该算法能有效地优化全局路径,使针绕过障碍准确达到靶点.实验误差均在2mm内,证明本文提出的运动学模型符合实际运动轨迹.

斜尖柔性针穿刺软组织受力建模及测量方法研究

斜尖柔性针穿刺软组织的受力分析与建模是研究柔性针弯曲变形的基础,然而柔性针受力十分复杂,目前并无完善、系统的受力模型。针对这一问题,对柔性针的受力进行系统地分析,将受力建模为切割反力、夹紧力、夹紧摩擦力、组织抵抗力、抵抗摩擦力、支持力及支撑摩擦力等,并给出了各受力之间的联系,建立起统一的受力系统。提出带有入针支撑的斜尖柔性针穿刺方式和受力的测量方法,采用单维力传感器与六维力传感器相结合的方法实现部分受力的解耦测量,并通过实验数据解算未知力,得到了所有建模力的结果。为下一步基于力学的柔性针弯曲建模奠定了理论和实验基础。

包含串并联关节的排牙机器人运动学分析

针对串联关节和并联关节各自的特点,提出了一种由5自由度串联机构和并联机构组成的排牙机器人,通过对排牙机器人机构的分析,建立了其运动学方程。对运动学逆问题进行了分析并且应用解析法和矩阵法推导出各个关节的位姿矩阵,在已知患者的牙弓曲线和各散牙的末端位姿时,便可通过以上算法求得各个关节的位置和姿态。最后以下左牙为算例,对各个关节的位姿矩阵进行了求解。结果表明:本文提出的算法合理有效,解决了排牙机器人部分运动学问题。

机电专业卓越人才理论与实践教学模式研究

根据对目前机电专业人才就业形势与高校目前机电专业人才培养现状分析,文章提出了干扰式课堂理论教学与"双条腿走路"的实践教学模式,将理论教学与实践教学作为既相互独立又相互联系的一个有机体,构建教学体系,从根本上改变了传统教学的弊端,对机电专业卓越人才培养具有现实指导意义。

多操作机排牙机器人的下位机控制系统设计

为了满足多操作机排牙机器人实现人类全口义齿排牙对实时性和准确性的需要以及解决对大批量步进电机进行控制的难题,提出采用主从式单片机控制方案,开发了基于MSP430单片机的多操作机排牙机器人下位机控制系统。详细介绍了多操作机排牙机器人的结构及工作过程、多操作机排牙机器人下位机控制系统的硬件实现和软件系统。实验结果表明,该控制系统设计合理,具有控制精确、开放性好、可靠性高等优点。

高校课堂教学模式新探索

根据课堂理论教学的现状分析,提出了半式课堂—半式机房的理论教学新模式,该模式以干扰、调动、督促、监督为主要设计思想,改变学生的听课状态和学生在课堂中的主体地位,使课堂的理论教学取得了时代性的进步,具有实际指导意义。

机电卓越人才实践能力校内培养模式研究

通过分析机电专业就业形式和目前机电专业人才实践能力培养的现状,本文提出实践教学培养新思路,改变传统培养理念,构建机电卓越人才实践培养新模式,并对该模式的关键环节进行研究,对机电专业卓越人才实践能力的培养有实际指导意义。

UG环境下钢球表面缺陷检测仪标准零件库的建立

阐述了采用参数化思想,利用UGNXV2.0软件中零件族建立零件库的方法,并以六角头螺栓为例,实现钢球表面缺陷检测仪标准零件库建立。