肘窝静脉穿刺采血机器人感知与控制技术
这是一篇关于采血机器人,导纳控制,自抗扰控制,静脉穿刺的论文, 主要内容为随着现代医学的发展,人们就医过程中越来越多的接受血常规等需要静脉采血流程的检查,用来观察血液中组分和敏感指标含量并作为医生实施诊断的依据。目前临床上大多依靠护士进行手动采血操作。医护人员虽然经过了专业培训,但面对不同患者(尤其老人、幼儿)时仍然具有较高的失败率。随着计算机视觉、机器人技术等领域的进步,开发自动静脉采血设备的技术条件逐渐成熟。本文针对肘窝静脉穿刺采血机器人展开了深入研究,主要包括以下内容:首先,通过广泛的文献阅读和资料查找,了解医护人员静脉采血的过程,结合人体的静脉特征,设计了机器人肘窝静脉穿刺采血流程。按照功能模块划分,完成了硬件系统设计,以及传感器、执行机构等部件选型,并设计了基于CANopen的通信架构。在搭建起的硬件系统和通信架构基础上,完成机器人的软件系统设计。基于近红外相机和激光测距传感器,利用图像处理算法,完成手臂肘窝静脉网络的识别与定位;根据设计的机器人自主静脉采血流程,在QT环境下完成人机交互界面设计;在嵌入式实时操作系统ucos-Ⅱ的框架下,设计了基于单片机架构的软件系统,完成系统底层的任务划分与调度,链接外设与上位机,完成传感器的信息处理,实现各关节驱动器的控制。完成肘窝静脉穿刺采血机器人本体设计控制系统设计。在机器人系统正逆运动学分析基础上,设计了双闭环控制系统。其中,控制器内环采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC),将运动系统等效为积分串联型,并对广义扰动进行估计与补偿。外环采用基于力的导纳控制,根据力传感器信息计算出位置偏移量,用来降低机械臂与环境的刚性,减少意外碰撞等情况造成的伤害,确保操作人员和被试对象的安全。最后,完成了静脉采血机器人系统综合实验,包括机器人的重复定位精度和绝对定位精度的测量和计算;完成基于电阻抗的末端传感结构设计并进行生物组织模拟穿刺实验,验证了基于电阻抗反馈识别生物组织和辅助静脉穿刺的可行性;同时完成了基于力反馈的兔耳缘静脉穿刺实验,验证整个肘窝静脉穿刺采血系统的可行性。
基于柔性关节的人机协作机器人机械臂结构设计与研究
这是一篇关于人机协作机器人,柔性关节,串联弹性驱动器,运动学,导纳控制的论文, 主要内容为传统工业机器人因柔性与安全性问题导致人机空间隔离,因此机器人的柔顺性和安全性是实现人机紧密协作的首要任务与主要难点。串联弹性驱动器(SEA)是关节安全性和柔顺性的结构基础,本文设计的机器人关节基于串联弹性驱动器,设计了基于柔性关节的机械臂,并对柔性关节的能耗和柔顺控制算法进行了研究。本文主要研究内容和创新性成果如下:1.设计了基于SEA的中空柔性关节,扭转弹性元件使SEA结构更加紧凑,利用ANSYS对扭转弹性元件进行了应力应变分析,结果表明满足设计要求。2.进行外力冲击实验仿真研究,证明了扭转弹性元件对降低关节刚度的作用,利用Matlab对关节能耗进行了研究,得出增大关节阻尼能降低柔性关节高频能耗的结论,为关节设计添加旋转阻尼器找到了理论依据。3.设计了四自由度的机器人机械臂,采用D-H法计算了机械臂的运动学正解和逆解,雅克比矩阵,进行了运动学正解仿真,通过蒙特卡洛法得到机械臂的工作空间点云图。4.建立了柔性关节动力学模型,设计了位置内环、力外环的控制器结构,求解了位置开环传递函数和导纳控制参数,通过实验仿真得到位置跟踪曲线和交互力矩曲线,得出基于位置的导纳控制可以有效降低交互力矩。
肘窝静脉穿刺采血机器人感知与控制技术
这是一篇关于采血机器人,导纳控制,自抗扰控制,静脉穿刺的论文, 主要内容为随着现代医学的发展,人们就医过程中越来越多的接受血常规等需要静脉采血流程的检查,用来观察血液中组分和敏感指标含量并作为医生实施诊断的依据。目前临床上大多依靠护士进行手动采血操作。医护人员虽然经过了专业培训,但面对不同患者(尤其老人、幼儿)时仍然具有较高的失败率。随着计算机视觉、机器人技术等领域的进步,开发自动静脉采血设备的技术条件逐渐成熟。本文针对肘窝静脉穿刺采血机器人展开了深入研究,主要包括以下内容:首先,通过广泛的文献阅读和资料查找,了解医护人员静脉采血的过程,结合人体的静脉特征,设计了机器人肘窝静脉穿刺采血流程。按照功能模块划分,完成了硬件系统设计,以及传感器、执行机构等部件选型,并设计了基于CANopen的通信架构。在搭建起的硬件系统和通信架构基础上,完成机器人的软件系统设计。基于近红外相机和激光测距传感器,利用图像处理算法,完成手臂肘窝静脉网络的识别与定位;根据设计的机器人自主静脉采血流程,在QT环境下完成人机交互界面设计;在嵌入式实时操作系统ucos-Ⅱ的框架下,设计了基于单片机架构的软件系统,完成系统底层的任务划分与调度,链接外设与上位机,完成传感器的信息处理,实现各关节驱动器的控制。完成肘窝静脉穿刺采血机器人本体设计控制系统设计。在机器人系统正逆运动学分析基础上,设计了双闭环控制系统。其中,控制器内环采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC),将运动系统等效为积分串联型,并对广义扰动进行估计与补偿。外环采用基于力的导纳控制,根据力传感器信息计算出位置偏移量,用来降低机械臂与环境的刚性,减少意外碰撞等情况造成的伤害,确保操作人员和被试对象的安全。最后,完成了静脉采血机器人系统综合实验,包括机器人的重复定位精度和绝对定位精度的测量和计算;完成基于电阻抗的末端传感结构设计并进行生物组织模拟穿刺实验,验证了基于电阻抗反馈识别生物组织和辅助静脉穿刺的可行性;同时完成了基于力反馈的兔耳缘静脉穿刺实验,验证整个肘窝静脉穿刺采血系统的可行性。
铝锭连续铸造中打渣机器人系统设计及柔顺控制方法研究
这是一篇关于铝锭铸造,打渣工艺,工业机器人,反演滑模,导纳控制,虚拟仿真的论文, 主要内容为铝被称为循环高效利用的可再生战略金属,在国家经济、科技、国防发展中占有不可或缺的地位。而铝锭连续铸造作为铝生产的关键流程,在生产过程中会出现浮渣等杂质,将其表面进行打渣处理是重要的工艺环节。传统的打渣一般均由人工完成,存在工作效率低、危险系数高、工作强度大、人力成本高等缺点。而要实现自动化打渣,控制技术难度较大,且在打渣中除渣工具会与铸造模具发生不确定性的碰撞问题,严重影响系统稳定性。故设计一套用于铝液自动打渣的系统并解决其碰撞问题迫在眉睫。因此,本文针对铝锭连续铸造中人工打渣工艺,采用工业机器人设计出自动化的动态跟随打渣控制系统,对其存在的碰撞问题,设计出打渣机器人导纳控制系统,并采用多种控制算法将其改进优化,通过MATLAB验证算法的有效性,最后在Robot Studio中实现联合仿真。主要研究内容如下:(1)打渣机器人控制系统设计。采用编码器,传感器以及机器人跟随板卡,实现模具传送链高精准的跟随控制和液面的精准测量,由此设计好作业轨迹和打渣关键动作,并搭建硬件系统,再进行PLC和机器人程序的编程,完成实验室测试,投用在实际生产中运行可靠、稳定。(2)导纳控制算法研究。针对打渣机器人系统在实际中会出现碰撞问题,先建立打渣机器人数学模型;接着设计碰撞检测算法,并针对机器人系统中需要线性化或变参数处理,机器人关节摩擦难以精确测量和建模,提出了基于反演滑模控制的导纳控制算法,实现了打渣机器人高精准的位置控制和柔顺作业性能。(3)变导纳控制算法研究。针对上述中导纳控制参数不可跟随外力自适应调整,机器人动力学模型中不确定项按简单的有界去进行处理等问题,提出了RBF反演滑模控制器,可实现自适应导纳参数的调整,提高导纳控制性能。(4)MATLAB和Robot Studio联合虚拟仿真。采用面向行业化的仿真软件来实现数字孪生技术,在Robot Studio仿真软件中建立了打渣机器人系统仿真平台,完成Robot Studio与MATLAB之间的Socket通讯,从而实现了联合仿真。
基于柔性关节的人机协作机器人机械臂结构设计与研究
这是一篇关于人机协作机器人,柔性关节,串联弹性驱动器,运动学,导纳控制的论文, 主要内容为传统工业机器人因柔性与安全性问题导致人机空间隔离,因此机器人的柔顺性和安全性是实现人机紧密协作的首要任务与主要难点。串联弹性驱动器(SEA)是关节安全性和柔顺性的结构基础,本文设计的机器人关节基于串联弹性驱动器,设计了基于柔性关节的机械臂,并对柔性关节的能耗和柔顺控制算法进行了研究。本文主要研究内容和创新性成果如下:1.设计了基于SEA的中空柔性关节,扭转弹性元件使SEA结构更加紧凑,利用ANSYS对扭转弹性元件进行了应力应变分析,结果表明满足设计要求。2.进行外力冲击实验仿真研究,证明了扭转弹性元件对降低关节刚度的作用,利用Matlab对关节能耗进行了研究,得出增大关节阻尼能降低柔性关节高频能耗的结论,为关节设计添加旋转阻尼器找到了理论依据。3.设计了四自由度的机器人机械臂,采用D-H法计算了机械臂的运动学正解和逆解,雅克比矩阵,进行了运动学正解仿真,通过蒙特卡洛法得到机械臂的工作空间点云图。4.建立了柔性关节动力学模型,设计了位置内环、力外环的控制器结构,求解了位置开环传递函数和导纳控制参数,通过实验仿真得到位置跟踪曲线和交互力矩曲线,得出基于位置的导纳控制可以有效降低交互力矩。
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