视频
加载播放器…
  • 提供配置文件
  • 在遥控机器人实验室，我们对操纵远程环境的机器人系统很感兴趣。我们工作的主要焦点是医疗遥控机器人。特别是，我们正在研究无线磁控微型机器人在人体内导航。我们的微型机器人不是作为自主系统，而是更像是一种新型远程操作系统的末端执行器，这与以往存在的任何系统都不同。几十年来，我们一直在想象有一天我们可以从体内进行微创医疗手术。我们真的快到了!
产品组合

  • 无系绳磁性生物医学微型机器人

  • 微型机器人无线控制的一种方法是通过外部施加磁场。这些不受束缚的设备可以在微创手术和诊断过程中导航体液，或者可以用作微操作系统的末端执行器。
      • 1.螺旋磁微泳者
        有一种不系绳的微型机器人，它使用螺旋螺旋桨(类似于开瓶器)游泳，其方法受到细菌推进的启发。如果一块磁性材料附着在螺旋螺旋桨上，那么磁场就可以用来旋转微型机器人来推进，也可以用来操纵微型机器人。
        2.眼内微型机器人的场梯度控制
        磁学是一门复杂的学科，大多数磁学问题都是用数值方法解决的。然而，这些通常不适合用于实时磁控制。我们已经开发了这样的模型，我们现在可以计算由任意磁场在轴对称软磁体上产生的扭矩和力。我们考虑体的磁化作为一个函数的应用领域，使用一个连续的模型，统一两个不同的磁性模型。连续的扭矩和力随之产生。该模型经过实验验证，并捕获了弱场和饱和场之间经常被忽视的区域，在那里观察到有趣的行为。我们可以计算出给定磁场大小时，使转矩最大化的磁场方向。我们还找到了一个绝对最大扭矩，对于给定的车身几何形状和材料，它可以在相对较弱的应用场下产生。我们已经扩展了模型，以考虑可能具有更复杂几何形状的组装mems器件的实时控制。通过有限元和实验对模型进行了验证。 The model captures the characteristics of complex 3-D structures and allows us, for the first time, to consider full 6-DOF control of untethered devices.

  • 人工耳蜗的机器人辅助

      • 人工耳蜗的磁导向

      • 这个项目的目标是双重的:提高人工耳蜗植入过程的安全性，并改善人工耳蜗的功能。人工耳蜗是一组通过外科手术插入耳蜗的电极。它的目的是让失聪的人重新听到声音。在植入手术中，有很多事情可能会出错。即使植入成功，也有很大的改进空间，包括将植入物插入耳蜗更深，这将导致听到较低频率的音调，以及将植入物缠绕在神经周围，这将导致更好的频率识别以及提高功率效率。

        我们的目标是在人工耳蜗植入耳蜗时，利用磁场来引导其尖端。如图所示，我们的实验装置显示了一个机器人平台，它将一个按比例植入原型植入到一个先进仿生学的按比例植入人工耳蜗假体中，同时ATI Nano17力传感器测量插入力。第二个机器人阶段移动一个巨大的永磁体靠近或远离耳蜗，当马达与植入物同步旋转磁铁时。

      • 体外植入实验的鳞甲-鼓室幻象

      • 对于人工耳蜗植入实验，例如在开发拟议的磁导向植入物时，需要有一个用于实验室实验的幻影鼓室。我们根据已发表的解剖学数据开发了一种模型，可用于创建任何所需比例的鳞状鼓室幻影。研究结果将发表在美国机械工程师协会医疗器械杂志上。这是用于生成模型的Matlab文件，以及可用于创建3:1比例幻影的SolidWorks模型。我们制作的ST模体如图所示。

  • 导纳型设备的触觉交互

      • 触觉设备是典型的阻抗型机器人，这意味着它们被设计成具有非常小的惯性和摩擦，这样人类用户只体验到虚拟环境输出的力。导纳型机器人与大量的惯性和摩擦紧密相连，这使得它们非常适合缓慢、精确的运动，但它们很少用作触觉设备。当它们被用作触觉设备时，人类与设备上的力传感器相互作用，并且这种感测力被命令进入受控运动，导致与使用阻抗型设备时显着不同的体验。准入型机器人已被证明是有效的机器人辅助设备，如约翰霍普金斯大学的稳定手显微外科机器人，以及最近犹他大学的活动扶手。导纳型设备也显示出作为精确主从远程操作系统的人类输入设备的前景。

        我们正在探索人类在精确操作任务中如何与导纳型设备相互作用。具体来说，我们正在考虑设备的允许速度以及实现的控制系统如何影响用户精确控制设备运动的能力。

  • Avian-Inspired责任者

      • 鸣禽依靠一根肌腱来栖息，当腿塌陷时，它的脚会闭合。我们正在开发受鸣禽脚和腿启发的抓手，它将使直升机和四旋翼机等飞行机器人能够像鸟一样栖息。

  • 在Treadport进行康复治疗

  • Treadport是犹他大学的一个沉浸式虚拟环境。我们正在探索如何将Treadport应用于脊髓损伤患者的康复。

  • 如何用两只新猎鹰制造一个便宜的五自由度触觉装置

      • 在这个页面上，我们展示了如何修改两个Novint Falcons，廉价的商用触觉设备，以创建一个可重构的五自由度(5-DOF)触觉设备，价格不到100美元(另外两个Falcons的价格，最后一次检查售价为250美元)。该设备旨在作为一种教育工具，允许更广泛的学生体验力和扭矩反馈，而不是典型的廉价设备的3自由度力反馈。市面上有5自由度和6自由度的设备，感觉很棒，但它们的价格很容易达到5万美元或更高。我们的五自由度设备感觉不那么好，但价格只有1%，它可以成为一个很好的教育和研究工具。此外，这里描述的所有修改都是非破坏性的，因此您可以轻松地将您的猎鹰恢复到原始状态。

        左边的图片显示了五自由度装置的不同配置。每种配置都使用相同的触控笔，因此更改配置既快速又容易。由于Novint Falcons的运动范围有限，因此必须为给定的应用选择最佳的触控笔配置。在这个页面上，我们解释了如何为自己建造这个设备，我们解释了如何实现一个5自由度的力/扭矩控制系统，使两个猎鹰作为一个单一的触觉设备协同工作，我们解释了如何实现重力补偿，使现在甚至更重的猎鹰感觉更轻。重力补偿算法也可以应用于标准猎鹰，而无需我们的五自由度修改。

        在这个项目的过程中，我们为猎鹰开发了一个重力补偿程序。即使你不想建造修改后的五自由度装置，重力补偿的增加也会让沉重的猎鹰感觉更好。下面的出版物和软件包括5-DOF和原始3-DOF设备的代码。

  • 自组装可吞咽的模块化机器人

  • 这项研究是在苏黎世联邦理工学院的布拉德·纳尔逊实验室进行的。
      • 胶囊内窥镜，如Given Imaging的M2A，在临床应用中越来越受欢迎。胶囊内窥镜是一种可吞下的相机，可以被动地通过胃肠道来诊断出血和癌症等问题。大量的机器人研究人员正在努力为胶囊内窥镜增加功能，比如腿来提供控制运动，或者诊断病理的工具。然而，增加更多的功能是困难的，而不使胶囊更大，因此更难以吞咽。

        作为ARES项目的一部分，我们正在研究一种可吞咽的模块化机器人系统。目标是制造一个由易于吞咽的简单小部件组成的系统，并在胃或小肠内组装成具有所需功能的较大结构。我们的研究主要集中在磁性自组装上。

  • 稳定的触觉相互作用

  • 这项研究是在约翰霍普金斯大学Allison Okamura的实验室进行的。

      • 位置量化和采样率对虚拟墙无源性的影响

      • 虚拟墙是触觉虚拟环境中最常用的构建块。它通常被实现为弹簧或弹簧阻尼器表面;当触觉设备穿过虚拟墙时，会发出与穿透深度成正比的力。为了使虚拟环境感觉像真实的材料(钢，木材等)，我们希望使虚拟墙壁感觉非常坚硬。然而，把虚拟墙弄得太硬可能会导致不稳定，因为触觉设备会在虚拟墙上震动，从而破坏任何现实的幻觉。
        被动系统是一种不能产生能量的系统(也就是说，它只能消耗和储存能量)。自然界中一切无生命的物体都是被动的，人类知道如何以自然的方式与它们互动。我们的想法是，如果我们制造出被动的机器人系统，那么人类也将知道如何自然地与它们互动。
        以前的工作考虑了采样率(计算机和运行触觉虚拟环境的A/D)和触觉设备关节中的粘性摩擦的相互作用。在这项工作中，我们采取下一步措施，并额外考虑位置量化(由于使用光学编码器测量机器人位置，这是标准做法)和库仑摩擦(使整体摩擦模型更准确地用于建模电机等)的影响。我们考虑触觉设备，实现一个基本的弹簧虚拟墙，使用一个模型，将用户fh施加的力与触觉设备x的位置联系起来。
        我们的分析结果是保证虚拟墙系统无源性的一个简单条件:
        K < min(2b/T, 2fc/Delta)
        式中，K为虚拟壁面刚度，单位为{N/m}， b为粘性摩擦力，单位为{Ns/m}， fc为库仑摩擦力，单位为{N/m}， Delta为编码器分辨率，单位为{m}。本研究最重要的结果是，基于库仑摩擦和编码器分辨率的项通常是主要的(即较小的)项，这使得考虑这些影响对于准确的无源分析非常重要。

      • 稳定的禁区虚拟装置

      • 禁区虚拟夹具是一种在软件中实现的约束，它有助于使机器人机械手远离禁区。禁区虚拟装置有可能增加远程操作任务的安全性。问题是，僵硬的虚拟装置(即那些实际上有效地使从机器人远离禁区的装置)可能会表现出不稳定的振动。我们的研究解决了这种稳定性问题，并提出了一种预测(从而预防)这种不稳定性的新方法。

  • 用于远程操作任务辅助的触觉虚拟夹具

  • 这项研究是在约翰霍普金斯大学Allison Okamura的实验室进行的。
      • 远程操作是对远程机器人的控制，可以用来完成大量的任务，这些任务太遥远，规模太大，或者对直接的人类操作来说很危险。在非结构化环境中，由于人工智能、传感器数据解释和环境建模的限制，完全自主的机器人系统无法使用，因此它尤其具有优势。“双边远程操作”通常指的是一种远程操作系统，其中人类操作员操纵“主”机器人设备，而“从”设备模仿主设备的行为，并向操作员提供某种形式的触觉(力和/或触觉)反馈。虽然触觉反馈可以提高远程操作任务的性能，但传统的远程操作系统无法为人类操作员提供任何智能辅助。因此，我们正在开发新的人机协作控制规律，称为“虚拟装置”，它弥合了严格自主和严格远程操作系统之间的差距。术语“虚拟夹具”是指在软件中实现的一类一般制导模式，通过将运动限制在受限区域和/或影响沿期望路径的运动来帮助人机协作系统执行任务。虚拟夹具的潜在好处是更安全、更快的操作。虚拟装置试图利用机器人系统的准确性，同时保持一定程度的操作员控制。

        我和主从远程操作员一起工作。在远程操作中，用户操作的机器人位于某个遥远的位置(可能是数千英里，也可能是在同一个房间里)。在主/从遥控操作中，不是用操纵杆或键盘控制远处的(从)机器人，而是用户移动一个相同的(或至少相似的)主机器人，然后从机器人跟随它的运动。

  • 神经假体的脉冲调频控制

  • 这是和犹他大学的桑福德·米克一起做的研究。
      • 该项目的目标是将义肢直接连接到截肢者的周围神经系统。然后截肢者将像控制真正的手臂一样控制手臂。犹他大学(University of Utah)的生物工程系开发出一种电极，可以直接植入被截断的神经。这些传感器可以用来测量从大脑到手臂的传出信号，并将传入信号输入回神经系统。来自Motion Control公司的流行机电假体Utah Arm 2已经被修改为可以用神经信号控制，而不是目前使用的肌电信号(从肌肉表面测量的肌电信号)。它还配备了额外的传感器和驱动自由度。

        神经系统使用一种被称为脉冲频率调制(PFM)的方法来传输信息。在PFM中，信号中的信息由脉冲序列的瞬时频率携带，并且脉冲本身本质上是相同的。该图显示了脉冲频率调制器输入/输出行为的示例。神经系统使用这种类型的信号，因为电压是在细胞水平上产生的。然而，PFM信号很少用于工程应用，因此包含PFM的系统并没有得到很好的理解。
        我们考虑了调制PFM信号的方法(即从连续信号中创建脉冲序列)和解调PFM信号的方法(即试图从脉冲序列中重建原始连续信号)。我们开发了分析使用PFM信号的闭环系统稳定性的方法，以及预测不良极限环的幅度和频率的方法。我们还开发了一种数字生成脉冲调制器仿真的方法。