关键词： medical robotics   surgical robots   minimally invasive surgery   MIS   computer-assisted medical intervention   human-robot interaction   clinical translation  

摘要： Medical robotics is poised to transform all aspects of medicine-from surgical intervention to targeted therapy, rehabilitation, and hospital automation. A key area is the development of robots for minimally invasive interventions. This review provides a detailed analysis of the evolution of interventional robots and discusses how the integration of imaging, sensing, and robotics can influence the patient care pathway toward precision intervention and patient-specific treatment. It outlines how closer coupling of perception, decision, and action can lead to enhanced dexterity, greater precision, and reduced invasiveness. It provides a critical analysis of some of the key interventional robot platforms developed over the years and their relative merit and intrinsic limitations. The review also presents a future outlook for robotic interventions and emerging trends in making them easier to use, lightweight, ergonomic, and intelligent, and thus smarter, safer, and more accessible for clinical use.

关键词： 人形机器人   无传感器力检测   阻抗控制   机器人动力学   误差补偿   神经网络  

摘要： 随着人工智能及机器人技术的发展,人们对机器人的期望不再停留于在工厂替代人力进行重复性劳动,而是希望机器人在医疗、装配、家庭服务等领域进行精细操作,如此便对机器人的性能提出了更高的要求。这种要求除了表现为更高的定位精度,更快的响应速度,还体现在更有保障的安全性能。为提高与人共存的机器人安全性,最主要的手段是为机器人增加力感知能力。针对传统机器人缺乏力感知功能的缺陷,而增加六维力感知成本较高、应用范围受限的问题,本文针对当前机器人系统的缺点,综合应用机电一体化技术,对无力矩传感器的人形机器人的关节力感知方法进行了深入研究,主要研究内容如下:1、高度人形、功能全面的高功率密度机器人系统设计。综合考虑系统功能与外观仿生要求,研究了人形机器人的新构型设计方法。整个机器人系统采用了上身为人形机器人上肢、下身为轮式全向移动平台的设计方法。根据机器人最大负载以及转速要求,采用无偏置非球型腕构型设计了七自由度的机械臂结构。所设计机器人系统具有自主定位导航、目标检测、语音交互、力觉交互等功能,可作为综合性机器人与人工智能研究平台使用。2、无力矩传感器的机器人关节外力矩检测:首先通过差分放大电路采集关节电枢电流,从而计算机器人关节的实际输出力矩;然后通过机器人动力学方程依据其运动状态解算其理论关节力矩;由于机器人建模过程中忽略了大量非线性因素而引入的建模误差,本文采用神经网络方法对模型误差进行补偿。实验结果显示本文所提出的无力矩传感器的外力检测方法可实现低成本的高精度外力检测。3、基于阻抗控制的机器人安全物理人机交互方法:研究了机器人在碰撞响应策略与柔顺控制策略间切换方法,采用反射控制策略实现机器人的碰撞响应策略,采用基于关节外力检测的阻抗控制方法实现柔顺控制策略。实验表明,所设计的机器人碰撞响应策略可以有效检测机器人碰撞的发生,并迅速离开碰撞位置,而机器人的柔顺控制策略则能有效检测人机交互过程中的在人机交互过程中的操作者作用力,顺从操作者的运动意图,实现直接示教等人机交互作业任务。

关键词： 机器人   运动学   动力学   雅克比   负载转矩  

摘要： 机器人广泛的应用于生产生活各个领域,其普及程度决定了一个国家的加工制造水平的高低。因此,国内外众多专家对机器人相关领域进行了深入研究,尤其是针对系统动力学的建模,对机器人动力学控制领域有着极其重要的现实意义。本课题以串联型三自由度机器人为研究对象,将机械臂与电机作为一个被控对象建立系统动力学模型,具体工作如下:(1)确定实验室RBT-6T/S03S型机器人的结构参数,依据D-H规则建立机器人坐标系,搭建六自由度机械臂的运动学模型,得到各个关节与末端之间的位置映射。在MATLAB环境下对机器人运动学进行仿真验证。(2)结合矢量法与微分法的优点,建立机械臂的速度/加速度雅克比矩阵,得到各个关节与末端之间的速度/加速度映射。(3)对三自由度机器人的本体进行动力学建模。根据建立的坐标系和机械臂结构参数,利用拉格朗日方程建立三自由度机械臂的本体动力学模型,得到关节动力学参数和力矩之间的映射关系;结合U-K理论求解机械臂的外部驱动力。利用MATLAB对机械臂的位移和力矩之间的关系进行仿真验证。(4)将机械臂和电机结合,作为一个被控对象进行系统分析,确定电机的电磁转矩和负载转矩特性,以及电机侧与机械臂侧的相互对应关系,建立基于三自由度机器人的系统动力学模型。利用MATLAB仿真验证模型的正确性。

关键词： Robotics   Artificial intelligence   Computer science  

摘要： Assistive robotics focuses on human-robot systems that provide physical support and assistance to the elderly and people with motor-impairments. While assistive machines, such as the powered wheelchair, can significantly enhance the functional independence of individuals, many users are challenged by their direct operation, the manner in which such systems are currently operated by the users. Moreover, as assistive machines become more capable, they often become more complex to control. This means paradoxically the more severe a person’s motor-impairment, the more challenging it is for them to operate the very assistive machines meant to aid them. An enduring goal is to address this discrepancy by incorporating robotics autonomy and intelligence into assistive machines to help reduce the control burden on the user. Such human-robot systems emphasize proximate interaction, forming personal and collaborative relationships, and sharing control with human personnel. Thus, the design, sensing, control, and assessment of such systems becomes more sophisticated due to having a human-in-the-loop. To succeed in their role of providing assistance in shared autonomy, the robotics autonomy must be capable of: autonomously perceiving the potential goals of the human user, inferring their intentions, and sharing control with the user for providing assistance in a manner that is acceptable to the human and at the same time is efficient for task executions. These behaviors engage a number of disciplines including computer vision, machine learning, autonomous control, human psychology, and cognitive science. In this thesis, we focus on building mathematical models and algorithms for autonomous perception, inference, and assistance in human-robot systems for assistive robotics. Specifically, we investigate the computational perception of navigation goals involving wheelchair docking at table and desk structures and manipulation goals for assistive robotic arms involving the detection

关键词： 中学生   机器人竞赛   实践活动   身心健康   创造型人才  

摘要： 新的时代,新的要求,我国的教育在不断改革中蓬勃发展。随着教育观念的不断改变,需要培养什么样的人才,或者说学生的发展方向应该怎么定位,新的教育方针政策都有了明确指导。目前在以高考为目标的中学教育阶段,就得让学生"动"起来,尽早适应社会发展,成为有特色、有质量的复合型人才,这就需要中学生在学习文化课的同时,多参与综合实践活动,并采取有效措施解决学习与综合实践训练之间的协调问题,大力发扬积极影响,尽力消除消极影响,借助学校、家庭、社会等各方面资源,积极合理锻炼身体,保持身体健康,同时注意心理调节和心理健康问题,紧跟社会发展方向,扬长避短,长远规划,成长为特色人才或全面发展的创造型人才。

关键词： 机器人技术  

ISBN: (纸本)9787561267196

摘要： 动力学分析是设计并联机器人尺寸的基础。同时基于模型控制方法的应用也需要建立并联机器人的动力学反解模型。本书共分八章, 内容包括: 绪论 ; 运动学分析基础 ; 对非冗余并联机器人奇异性分析和检测的一种工程方法等。

关键词： 六自由度机器人   运动学   动力学  

摘要： 智能时代的发展,使人类社会已经悄然向着‘工业4.0’加速迈进;制造业作为社会发展的支柱产业之一,已经在发展速度上领先于其他行业。现阶段越来越多的自动化生产线应用于各种产品的生产加工过程中,使得产品的生产周期大大缩短,同一批次生产的产品数量大大增加。作为自动化生产线代替人工劳动力的工业机器人也被应用的越来越多,它不仅将人工劳动力从大量重复性工作和恶劣的劳动环境中解放出来,而且完成了许多人工劳动力不能完成的工作。工业机器人在制造业中的作用已经越来越突出。工业机器人在各种加工任务中都已经有了广泛的应用。在前述背景下,本文对六自由度机器人的应用进行了研究,旨在为现有的机器人制造提供一种高效,低成本的解决方案。针对航天飞行器中一些小批量复杂构建的快速制造需求,实现“设计-材料-制造”的创新制造模式。具体研究包括以下几个方面:调研并提出了一种双末端机器人加工执行器的机器人加工平台方案,完成加工平台硬件的选型,并完成了该平台的搭建;对平台所使用的六自由度机器人KR30进行了静力学分析,机器人奇异位姿的分析,利用牛顿-欧拉法求解机器人动力学方程,并基于ADAMS对机器人进行了动力学仿真;在机器人仿真器中完成机器人的运动仿真建模与碰撞检测;完成了仿真软件中的对加工加工轨迹的齐次变换,对机器人仿真器的脚本进行开发,在机器人仿真器中添加了离线编程的功能,可以将已规划好的机器人加工路径进行处理,生成机器人控制语句文件;在搭建好的机器人加工平台上完成了增材加工,并以加工工件为毛坯成功进行了铣削实验,通过增减材实验验证了本加工平台的可行性。

关键词： 码垛机器人   柔性动力学   振动特性   Hamilton原理  

摘要： 码垛机器人由于其高效、快速、清洁的优点而被广泛应用于目前工业制造的生产线上,是实现现代制造业自动化的重要设备。对于铝锭连铸生产线而言,码垛机器人的可靠性和稳定性对整个生产线的生产效率和经济效益都有着重大的影响,而作为码垛机器人关键部件的机械臂的振动将严重影响整机的稳定运行,甚至引发机械臂的断裂。因此分析码垛机器人在高速重载时的动态特性有助于了解码垛机器人机械臂的振动机理,为码垛机器人的结构优化和控制器设计提供理论依据,对提高其稳定性和工作速度有着重大的意义。本文的主要研究内容与成果如下:(1)研究高速重载码垛机器人的整体结构和各部件的位姿关系。利用Wittenburg的图论分析方法对多连杆结构的码垛机器人进行了结构分析和力分析,通过码垛机器人的树状图得到各个关节的运动和力(力矩)的关系。利用D-H参数法建立了码垛机器人各个关节的位姿关系,通过齐次变换矩阵的运算得到末端点在基座标下的位姿,结果表明其运动符合工作空间的要求。(2)研究高速重载下码垛机器人的动态特性。针对MPL300码垛机器人的高速重载工况条件,得到该码垛机器人基本动力学参数。通过Hamilton原理建立在负载下码垛机器人含柔性关节的动力学模型,并推导出其质量矩阵、刚度矩阵、哥氏加速度阵等。通过五阶龙格库塔法对运动方程求解,得到一个工作周期内的运动参数(位移、速度、加速度),结果表明:关节柔性导致惯性力对关节的影响不可忽视,而振动主要集中在小臂关节处,甚至会使小臂关节处承受一定的循环载荷(惯性力)。(3)研究高速重载下码垛机器人的关节振动特性。针对高速重载下码垛机器人的关节振动,以关节变形的位移参数为基础,通过傅里叶变换得到各个关节振动的频域响应和时频特性。分析该码垛机器人关键部件的关节振动特性,结果表明:振动发生在启动停止和运动方向改变的瞬时,而启停时刻的振幅呈衰减趋势,运动方向改变的瞬时振幅则是出现最大峰值。(4)模拟码垛机器人动态特性。根据高速重载码垛机器人的真实工况,确定其仿真环境,在ADAMS中建立码垛机器人虚拟样机。利用ADAMS得到码垛机器人仿真的驱动函数。并针对码垛机器人动态响应特性进行仿真,验证码垛机器人设计的合理性。(5)研究码垛机器人关键部件动态特性。利用码垛机器人小臂关节加速度参数,计算机械臂小臂各个截面的动态应力,分析机械臂小臂断裂原因,结果表明:拉压应力交替循环作用是机械臂小臂断裂的主要因素。

关键词： 四足机器人   腾空动力学模型   落地支撑动力学模型   运动控制  

摘要： 步足式移动机器人相较于传统的轮式以及履带式等移动式机器人对非结构化环境具有更强的适应能力,但其系统复杂,在目标移动速度方面尚未达到传统轮式以及履带式等移动机器人的移动速度,出于真实背景对步足式移动机器人速度的需求,在保证步足式机器人对非结构化环境适应能力基础上如何提高其移动速度成为研究热点之一。本文以步足式移动机器人家族中的代表即四足式移动机器人为研究对象,结合仿生学原理,从四足机器人整机实现高速奔跑目标出发分析得到四足机器人实现高速奔跑关键在于其单腿运动性能,单腿运动性能与其结构参数和控制策略密切相关。从分析四足机器人运动特点出发,将四足机器人奔跑过程分解为单腿腾空运动相和单腿落地支撑运动相。根据是否考虑液压缸和活塞杆质量,分别建立腾空简化动力学模型和腾空动力学模型,分析液压缸和活塞杆质量在单腿腾空运动相下对液压缸出力的影响。在腾空简化动力学模型基础上,结合单腿运动学,提出一种基于动力学模型优化的足端轨迹生成算法,结果表明该算法生成的轨迹可有效减少单腿腾空运动相下液压缸的出力,为单腿腾空运动相控制提供了基础。根据是否考虑液压缸和活塞杆质量,分别建立单腿落地支撑运动相下简化动力学模型和动力学模型,分析液压缸和活塞杆质量在单腿落地支撑运动相下对液压缸出力的影响,为液压缸出力设计提供一个较为准确的结果,并且结果表明单腿在大负载下落地支撑运动中液压缸和活塞杆质量影响不可忽略,同时为单腿落地支撑运动控制提供基础。基于腾空动力学模型和落地支撑动力学模型给出单腿的运动控制算法,为验证算法的有效性,使用ADAMS软件搭建了单腿虚拟样机,使用SIMULINK搭建了运动控制算法,使用ADAMS和SIMULINK联合仿真手段实现单腿目标速度的控制,初步验证本文所提单腿运动控制算法的有效性。

关键词： 高中   机器人竞赛校本课程   开发实践  

摘要： 高中机器人竞赛校本课程是一门以实验操作为主体的学科,是学校科技教育的主体和核心.如何改革和创新机器人竞赛校本课程教学策略来提升高中机器人竞赛校本课程质量是每一个科学教师应该认真思考的问题.总的来说,改革和创新后的机器人竞赛校本课程教学策略不仅能激发学生对科学课堂的兴趣,同时也可以在更大程度上展现科学的魅力,这是新时代下机器人竞赛校本课程教学改革的主要方向.