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。

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.

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。

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 。

机器人主操作手力反馈模型误差补偿

根据骨科复位手术过程中医生的动作要求和从端机器人机构特点,建立了主操作手力反馈数学模型。通过测量从端实际的反馈力和主端输入力可知,力信息在主操作端的复现值与从端反馈值之间存在一定误差。为了尽可能的减小力反馈误差,采用三层BP神经网络学习的方法对力反馈模型误差进行补偿。为验证补偿方法的有效性,建立了力反馈实验系统,实验数据表明:经过误差补偿后,力反馈误差均值降低为0.1 N,经过补偿后的力反馈数学模型,可以进一步提高力反馈的精度。

主操作手结构设计及运动学参数标定

为更好地提升机器人主操作手性能,减少由于机构重力导致的操作疲劳感并提高位置精度,设计了一款7自由度主操作手:大臂机构为一平行四边形机构,提供前后和左右自由度;小臂机构提供上下自由度;手腕机构提供俯仰和偏航自由度;末端操作器机构提供自转和开合自由度。为提高主操作手位置精度,在主操作手结构设计的基础上,应用旋量理论建立了主操作手的运动学及其误差模型,采用最小二乘法对运动学参数进行了辨识,并进行了标定实验。结果表明,经过运动学参数标定后,主操作手的最大位置误差改善了67.43%。

解耦双并联主操作手的优化尺度综合

优化过程综合考虑了主操作手(简称主手)的运动范围、平均力学性能及最差力学性能，将运动空间体积、全局灵巧度以及灵巧度最小值3个因素的加权和作为机构性能评价指标。根据工作空间内点的使用频率不同，提出了基于空间使用频度的灵巧度定义方法，使优化结果更有实际意义。优化前后的主手力传递性能的对比分析验证了方法的有效性。

基于超声电机的主操作手装置设计

设计了使用连杆机构作为基本骨架结构的主操作手装置,由超声电机作为驱动器,能够测量手指关节弯曲角度,并能提供指尖力反馈。并且采用ADAMS仿真软件,仿真计算出人手指尖所需要额外承受的由主手自重带来的力的大小。同时验证主操作手机械设计的合理性与可行性。

基于MATLAB的主操作手运动学分析及仿真

为实现对泌尿外科微创手术机器人的远程操作,给出一种用于位姿定位的主操作手结构.首先,根据手术任务确定主操作手的运动形式和自由度;其次,采用改进的D-H法建立主操作手的运动学模型,分析其正、逆运动学和轨迹规划问题;最后,运用MATLAB软件对其进行运动学建模和仿真,得到主操作手的关节位移、关节速度、关节加速度随时间的变化曲线.结果验证了运动学模型的正确性和主操作手参数设计的合理性,为主操作手的进一步研制提供了理论基础.

被动式力反馈主操作手设计

利用超声制动器提出了一种被动力反馈主操作手的研究设计方案。主操作手手指由连杆机构及超声制动器组成,通过连杆机构测量指尖位姿,进而反解手指关节状态信息,在超声制动器的作用下,将执行机构所受到的力反馈给操作者;运用M atlab对结构设计的合理性进行了验证,确定机构尺寸的参数。最后,给出主操作手完整的结构形式。该方案解决了传统力反馈主操作手中结构复杂、尺寸大,运动不准确、测量偏差大等缺点。

鼠标形桌面主操作手的设计

为了实现对灵巧手的主从控制,设计了一个鼠标形桌面主操作手。主操作手将操作者手指的运动位置实时传递给从手,在从手抓取物体的过程中,利用直流电机作为主操作手的主动力反馈控制源,通过直流电机的驱动电路控制电机的转矩,将从手感受的力反馈给操作者。整个系统由DSP控制器进行控制。

基于远心机构的主操作手建模与仿真研究

针对泌尿外科微创手术机器人的末端执行器如何在有限空间中完成给定任务,以提高泌尿外科微创手术的安全性问题,对其主操作手的运动学和工作空间进行了研究。根据泌尿外科微创手术特点和技术要求,基于远心机构,设计了具有6个自由度主操作手,用于控制该手术机器人的末端执行器;采用修正后的D-H参数法,建立了运动学模型,求得了主操作手的末端空间位置与各关节变量之间的函数关系和运动学逆解;利用Matlab和ADAMS软件对主操作手进行了运动学和理论工作空间仿真,并进行了结果对比分析。研究结果表明:该主操作手结构设计合理、模型建立准确、灵活度高,可以完成给定手术任务。

6-DOF主操作手构型设计与空间轨迹规划仿真研究

主操作手是微创外科手术机器人的关键组成部分,用于接收医生动作,并控制从操作手完成手术操作。在充分研究主操作手使用要求的基础上,分析了主操作手构型设计要求,完成了主操作手的构型设计。结合所设计主操作手的构型,应用Matlab Robotic Toolbox进行了空间运动轨迹规划仿真,得到主操作手关节位移、速度和加速度的变化曲线。结果表明,主操作手构型设计合理,运动平稳,为主操作手的进一步设计与优化奠定了理论基础。

一种位姿解耦的主操作手结构设计与优化方法

为提高医生对微创手术机器人主操作手进行操作时的一致性和灵活性,设计一种8关节串联型力反馈主操作手。从位姿解耦角度出发,通过一种双平行四边形结构实现位姿解耦,提高了主操作手在不同位姿下操作的一致性。利用改进后的D-H参数法和逆变换法,分别建立主操作手的正运动学和逆运动学模型,并从运动学角度验证了该位姿解耦策略的正确性。基于蒙特卡洛法,使用MATLAB编程,分析主操作手的最小工作空间。求解主操作手的雅可比矩阵,基于全域性能指标和全域性能波动指标定义了主操作手的综合运动性能指标,并以最小工作空间作为约束,用遗传算法对主操作手的运动性能和结构尺寸进行了分析与优化。结果表明:相比于优化前的初始设计,优化后主操作手的综合运动性能指标提高了15.32%,尤其是具备良好运动性能的工作空间体积增加到原来的3倍,已基本包含手术要求工作区域。主操作手在保证操作一致性和足够工作空间的基础上,具备了良好且稳定的运动性能。

虚拟腹腔镜手术主操作手工作空间分析与轨迹规划

作为连接手动操作和虚拟手术场景的桥梁,主操作手可再现多种腹腔镜手术动作,在虚拟手术系统中发挥着重要的作用。根据虚拟腹腔镜手术系统的应用需求,设计研发了一种6自由度被动式串联结构主操作手;通过运动学运算求得主操作手正运动学模型,在Matlab软件中对主操作手进行工作空间、轨迹规划分析;根据三维电磁跟踪系统采集的位置信息,对主操作手的运动学性能进行了定量与定性分析。结果表明,主操作手参数设计合理、运动学模型正确,工作空间分析与轨迹规划仿真结果满足虚拟腹腔镜手术的作业需求,为虚拟腹腔镜手术系统和主操作手的运动控制与术前手术规划奠定了基础。

混联式主操作手重力补偿算法

针对应用于腹腔镜微创手术机器人的主操作手,本文提出了重力补偿算法.主手采用串并混合式的构型.平动自由度和转动自由度分开配置,实现了位置和姿态解耦,每个关节都配有电动机.利用拉格朗日动力学方程法得到了电动机为平衡主手重力所需的输出力矩.为避免信号处理过程中的延时问题,采用速度观测器估计速度信号,并且引入一阶低通滤波器直接获得加速度信号.最后在开启和关闭重力补偿算法的条件下,利用力传感器测量主操作手随人手在自由空间运动输出力的情况,通过与缺少重力补偿条件下的实验数据对比,得出在重力补偿条件下人手的输出力减少90%以上.

面向机器人辅助远程手术的遥操作主手研究

遥操作主手是医生与远程手术端的交互接口,是机器人辅助远程手术的重要设备。本文设计了一种构型为串并联混合形式的主手,该主手操作灵活,工作空间大,具有3个自由度的力反馈。本文搭建了远程手术实验平台,通过实验验证了系统的稳定性和远程手术的可行性。

力反馈型主操作手工作空间分析与仿真方法研究

主操作手工作空间代表了主操作手的活动范围,从几何方面讨论了主操作手的工作性能,它是衡量主操作手工作能力的一个重要的运动学指标,在主操作手的设计、控制与应用过程中,都需要考虑。通过主操作手正运动学解计算求得末端执行器空间位置与各关节变量之间的函数关系,在MATLAB中分别运用数值法、图解法以及解析法对主操作手的工作空间进行仿真;根据三维电磁跟踪系统采集的位置信息,通过定量与定性分析,验证求解主操作手工作空间仿真算法的正确性;最后根据所得工作空间形状体积,布局主操作手在操作台上的位置,同时,提出3种主操作手工作空间求解方法的特点及其应用场合,为主操作手运动学性能指标评价和术前手术规划奠定了基础。

遥操作主手机器人精度标定研究

为了提高遥操作主手并联机器人的运动精度,提出了一种利用激光检测仪和最小二乘解对并联机器人进行精度标定的研究方法。通过机构运动过程中的闭环链识别出有效的参数误差源,利用机器人的运动学正解方程构造误差的Jacobian矩阵。其方法是,首先通过激光检测仪测量出运动过程中末端执行部件的实际位置;其次采用最小二乘法对构造的误差Jacobian矩阵进行求解,识别出误差参数,将误差补偿到理论运动学模型中求解包含误差的末端执行部件的位置,将标定前后的值与理论值进行对比;最后通过定位精度、标准误差、均方根误差等性能评价指标检验标定结果;结果显示,标定后的定位精度比之前提高了65%,标准误差比之前提高了79.47%,机构的绝对定位精度和稳定性得到提高。

基于HyperWorks的遥操作主手构件拓扑优化设计

论文利用变密度法对力反馈型遥操作主手的结构进行拓扑优化设计,旨在满足各种工况及易制造加工的条件下,实现零部件的轻量化。首先分析了零部件在多种工况下的受力情况,再根据分析结果对模型进行了拓扑优化,最后在优化结果的基础上进行了满足加工工艺要求的二次设计。最终得到的零部件结构模型与初始模型对比结果显示:在满足安装、强度、刚度、可加工性等约束条件的情况下,总质量比最初模型减轻了40.89%。