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微创手术机器人力反馈主手重力补偿研究

机器人 2020年第5期42卷 525-533页

作者：王涛潘博付宜利王树国哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

针对医生操作微创手术机器人力反馈主手进行主从微创手术时力反馈主手各杆件重力阻碍操作性能的问题,基于虚位移原理对力反馈主手各关节的重力矩进行推导,并采用Adams仿真软件对其进行验证.该方法适用于开链和闭链结构的机器人臂,与传... 详细信息

针对医生操作微创手术机器人力反馈主手进行主从微创手术时力反馈主手各杆件重力阻碍操作性能的问题,基于虚位移原理对力反馈主手各关节的重力矩进行推导,并采用Adams仿真软件对其进行验证.该方法适用于开链和闭链结构的机器人臂,与传统的牛顿-欧拉法和拉格朗日法相比,它不需考虑速度、加速度,且简单有效.然后采用电机驱动的方式对力反馈主手的各连杆重力进行补偿,实现了重力的完全补偿.实验结果表明,基于虚位移原理的主动重力补偿能够达到较好的补偿效果,将未补偿前的重力矩作用减小了60%以上,提高了力反馈主手的操作性能.

关键词：力反馈主手重力补偿虚位移原理 Adams仿真主动补偿

含有广义饱和函数的全局渐近稳定非线性PID控制

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机器人 2020年第5期42卷 568-582页

作者：牛国君曲翠翠潘博付宜利浙江理工大学机械与自动控制学院浙江杭州310018 杭州新松机器人自动化有限公司浙江杭州311200 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001

为解决传统饱和函数条件比较苛刻的问题,本文提出了一种饱和函数,并将其应用于线性PD(比例-微分)+非线性PI (比例-积分)控制律.应用李亚普诺夫稳定性定理和拉萨尔不变原理推导了非线性PID控制律全局渐近稳定条件.为提高非线性PID控制精... 详细信息

为解决传统饱和函数条件比较苛刻的问题,本文提出了一种饱和函数,并将其应用于线性PD(比例-微分)+非线性PI (比例-积分)控制律.应用李亚普诺夫稳定性定理和拉萨尔不变原理推导了非线性PID控制律全局渐近稳定条件.为提高非线性PID控制精度,以位置跟踪误差绝对值时间积分和关节力矩输出误差绝对值时间积分为目标函数,以全局渐近稳定性条件以及关节额定驱动力矩为约束条件,应用多目标遗传算法NSGA-II(non-dominated sorted genetic algorithm-II)进行非线性PID控制律参数整定.选择优化后位置跟踪误差绝对值时间积分最小的饱和函数,并研究含有该饱和函数的非线性PID控制律对模型不确定性、输入干扰力矩和噪声的鲁棒性.与传统PID控制律和含有传统饱和函数的非线性PID控制律相比,本文方法的位置跟踪精度分别提高了近2个数量级和1个数量级.提出的饱和函数在靠近平衡点处具有较强反作用,使误差快速收敛于平衡点,有助于提高非线性PID控制律的位置跟踪精度以及鲁棒性.

关键词：非线性PID(比例-积分-微分)控制饱和函数全局渐近稳定鲁棒性

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一种透视体绘制光学模型及其实现

光学学报 2009年第7期29卷 1842-1848页

作者：付宜利肖永飞王树国哈尔滨工业大学机器人研究所黑龙江哈尔滨150001

在三维数据可视化的应用中,经常要求保留体数据外部组织的同时透视内部某一兴趣区,而这一过程的实现通常需要对三维数据进行预处理后才能取得较好的效果。从体绘制的传统光学模型出发,推导出一种可交互调节的体绘制光学模型。通过在分... 详细信息

在三维数据可视化的应用中,经常要求保留体数据外部组织的同时透视内部某一兴趣区,而这一过程的实现通常需要对三维数据进行预处理后才能取得较好的效果。从体绘制的传统光学模型出发,推导出一种可交互调节的体绘制光学模型。通过在分类信息中引入透射光对数据显示作用的计算,建立了基于内部兴趣区的透视光线模型,在保留外部组织半透明的同时,无需对三维数据进行预处理来实现较传统模型更好的透视效果。实验证明:该方法能以大于20 f/s的速度完成交互,且与传统模型相比有着更好的透视效果。本模型可有效提高用户对三维数据的特征识别能力,为三维数据的有效分析提供理论依据。

关键词：光学模型体绘制传递函数交互兴趣区

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一种可交互的体绘制光学传递函数模型

光学学报 2008年第8期28卷 1502-1507页

作者：肖永飞付宜利王树国哈尔滨工业大学机器人研究所黑龙江哈尔滨150001

针对三维数据场可视化过程中兴趣区的交互分离问题,给出了基于体绘制光学传递函数的半自动调节方法。该方法从传递函数的光学模型出发,根据三维数据的光强分布,结合体数据的三维梯度场,给出了体数据的颜色及透明度值分离交互调节的模型... 详细信息

针对三维数据场可视化过程中兴趣区的交互分离问题,给出了基于体绘制光学传递函数的半自动调节方法。该方法从传递函数的光学模型出发,根据三维数据的光强分布,结合体数据的三维梯度场,给出了体数据的颜色及透明度值分离交互调节的模型。为了提高本方法的实用性,本文采用了交互模型与现代显卡纹理特性相结合的方法来提高交互速度。实验证明,通过实时调节改进传递函数的相关参量,该模型能以大于每秒30帧的交互速度获得兴趣区的最佳视觉分离效果。本方法能在交互体视化的同时实现最佳参量的获取。

关键词：光学模型体绘制传递函数交互兴趣区(ROI)

闭链级联式机器人基于旋量理论的运动学分析方法

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机械工程学报 2006年第4期42卷 112-117页

作者：张付祥付宜利王树国哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨150001

闭链级联式机器人由若干个平面四杆机构和空间杆机构串联而成,将这些杆机构中从基座到操作端最短的开链定义为主运动链,这样闭链级联式机器人的运动学分析就转化成了一个开链和若干个单闭链的运动学分析问题。主运动链的运动学分析采用... 详细信息

闭链级联式机器人由若干个平面四杆机构和空间杆机构串联而成,将这些杆机构中从基座到操作端最短的开链定义为主运动链,这样闭链级联式机器人的运动学分析就转化成了一个开链和若干个单闭链的运动学分析问题。主运动链的运动学分析采用指数积公式。主运动链的关节位置和速度信息可以由各个关节所在的单闭链的运动学分析得到。平面四杆机构和空间六杆机构的运动学分析可以通过建立闭链的结构方程来实现。最后综合主运动链和各个单闭链的运动学分析的结果即可得到主运动链关节空间与末端执行器位形空间的位置和速度映射关系,从而完成整个闭链级联式机器人的运动学分析。

关键词：闭链级联式机器人旋量理论运动学分析

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腹腔微创手术机器人的主从控制

机器人 2019年第4期41卷 551-560页

作者：牛国君曲翠翠潘博付宜利浙江理工大学机械与自动控制学院浙江杭州310018 哈尔滨工业大学机器人国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001 杭州新松机器人自动化有限公司浙江杭州310000

为提高基于内窥镜的腹腔微创手术机器人系统的手眼协调一致性,提出了一种主从控制方法.基于旋量理论建立从手系统的正逆运动学模型,基于运动模型提出内窥镜坐标系下的主从运动控制算法,该算法包含了运动的一致性控制、相对运动控制和比... 详细信息

为提高基于内窥镜的腹腔微创手术机器人系统的手眼协调一致性,提出了一种主从控制方法.基于旋量理论建立从手系统的正逆运动学模型,基于运动模型提出内窥镜坐标系下的主从运动控制算法,该算法包含了运动的一致性控制、相对运动控制和比例运动控制.主手的腕部为被动方式(无电机驱动),不能在任意位置保持静止,在手术开始、中途中断或调节主手工作空间时,主手和从手姿态不能保持一致.为此,开展3种辅助功能实现研究,分别为主从姿态配准、手术器械更换和主从二次映射.最后进行了套环和穿线实验,这两组实验最大空间位置误差均小于1mm,说明该算法可有效地提高手眼协调的一致性.

关键词：微创手术机器人主从控制旋量理论运动控制

自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的轨迹规划

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机器人 2012年第1期34卷 38-43页

作者：张福海付宜利王树国哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

针对非完整约束导致的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵动力学奇异性问题,提出一种间接求解机器人逆运动学的方案.该方案通过运动方程分解并构造迭代函数,将动力学奇异转换为运动学奇异问题,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,解决广义雅... 详细信息

针对非完整约束导致的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵动力学奇异性问题,提出一种间接求解机器人逆运动学的方案.该方案通过运动方程分解并构造迭代函数,将动力学奇异转换为运动学奇异问题,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,解决广义雅可比矩阵动力学参数相关特性问题,仿真结果表明该方法能够有效地实现自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的非完整轨迹规划.

关键词：自由漂浮空间机器人动力学奇异非完整轨迹规划

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基于形状记忆合金的自主导管导向机器人设计

机械工程学报 2008年第9期44卷 76-82页

作者：付宜利李显凌梁兆光哈尔滨工业大学现代生产技术中心哈尔滨150001 哈尔滨医科大学第一临床医学院哈尔滨150001

为提高血管介入手术的成功率和安全性,研制一种用于控制自主导管的由多个形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)驱动器驱动的多节蛇形结构导向机器人。针对SMA驱动的导向机器人结构和原理,提出偏置弹簧尺寸参数的估算方法,使用大挠度理... 详细信息

为提高血管介入手术的成功率和安全性,研制一种用于控制自主导管的由多个形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)驱动器驱动的多节蛇形结构导向机器人。针对SMA驱动的导向机器人结构和原理,提出偏置弹簧尺寸参数的估算方法,使用大挠度理论对导向机器人进行运动学分析,通过积分变换推导出SMA驱动器在已知导向机器人弯曲角度和方向下的输出力和位移,给出精确的导向机器人前端中心位置坐标。在此基础上,进一步推导SMA驱动器的尺寸参数设计计算公式,提出一套系统的导向机器人设计理论方法。利用提出设计方法研制导管导向机器人样机,并在血管模型中成功地进行模拟介入手术试验。研究成果为导向机器人的设计和分析提供了数学模型,完善了导管导向机器人的设计方法和理论。

关键词：形状记忆合金大挠度理论自主导管微创介入手术

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

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航空学报 2012年第12期33卷 2347-2354页

作者：张福海付宜利王树国哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学材料科学与工程博士后流动站黑龙江哈尔滨150001

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力... 详细信息

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。

关键词：自由漂浮空间机器人关节空间笛卡儿空间自适应控制 Lyapunov方法