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  • Choset教授的教育和研究兴趣跨越了计算理论和机电一体化工程实施之间的边界:严格的数学结果使工程进步,而实施的实际方面推动理论推导。
产品组合
  • 机器蛇

    • 机械设计-躯干机器人-角致动器

    • 设计蛇形机器人的主要挑战是将驱动关节放在一个紧凑的空间中,使关节之间的连接的长度和横截面面积最小化。我们设计的主要概念和其他许多设计一样,是将两个自由度的关节叠加在一起,形成一个蛇机器人。这类机器人主要有三种设计流派:驱动万向节、角旋转节和角斜角节。
    • 机械设计-躯干机器人-外科手术

    • 为了克服目前可用于微创心脏手术(MICS)的辅助技术的局限性,我们开发并测试了基于创新方法的高关节机器人探针(HARP)的第一个原型。我们假设,对于涉及心外膜对跳动心脏干预的手术,MICS可以通过HARP有效地实现,通过剑状下端口进入心外膜腔,到达心外膜上的远端心外膜内位置,而不引起血流动力学和电生理干扰,附着在目标表面,并在外科医生的直接控制下进行治疗干预。我们坚信HARP的功能将最终应用于多种心包内治疗(例如通过心包内注射进行细胞移植,心外膜消融,心外膜引线放置再同步化等)。我们的长期目标是实现我们集团的“心外膜前沿”愿景,通过开发和测试新的专门的创新机器人技术,使心外膜疗法的投资组合不断增长。我们设想,基于harp的心包内治疗不仅可以被微创心脏外科医生采用,也可以被介入心脏病学家和电生理学家采用。
    • 机械设计-蛇机器人-模块化设计

    • 蛇机器人可以利用它们内部的许多自由度穿过拥挤的空间,到达人或机器无法使用的位置。此外,这些高度连接的装置可以协调它们的内部自由度,以执行各种运动能力,超越了传统轮式机器人和最近开发的腿机器人的能力。这些设备的真正力量在于它们是多功能的,实现的行为不仅限于爬行、攀爬和游泳。
    • 机械设计-蛇机器人-皮肤驱动

    • 小型机器人有可能进入人类无法进入的密闭空间。然而,轮式和履带式系统的机动性在杂乱环境中受到严重限制
      环境。蛇机器人采用仿生步态运动,可以在很多情况下提供更好的通道,但速度很慢,很容易被绊住。本文介绍了一种蛇形机器人运动的替代方法
      机器人的整个表面提供持续的推进力,在许多环境中显著提高速度和机动性。

      这个项目是与上汽集团合作的。
    • 控制理论-路径规划-遵循

    • 蛇机器人有很多应用,但很难控制。人不能简单地单独操作蛇的每个关节,因为蛇的关节太多了。这些机器人需要一个运动规划算法。蛇机器人的运动规划是困难的,因为机器人有许多内部自由度,必须协调以实现有目的的运动。在运动规划术语中,这意味着蛇机器人存在于大维度构型空间中。我们的工作将使机器人在多种不同的模式下操作成为可能,从完全自主到人工引导。该机器人将能够基于从功耗到安全性甚至隐身等一系列成本函数来优化自己的路径。
    • 控制理论-运动-机器人

    • 运动描述了移动系统如何通过改变形状来改变它们的位置。例如,上面所示的三连杆系统的位置是它的中间连杆的位置和该连杆相对于惯性系的方向,它的形状完全由两个关节角描述。通过对这些关节角度进行协调变化,该系统可以在平面上移动,即使它没有直接控制位置变量的执行器。通过研究这一过程,我们既可以为新型机器人规划运动,也可以更好地了解动物是如何在环境中移动的。

      三连杆运动蛇就像漂浮的蛇,但每个连杆都受到横向运动的限制。中间连杆上的约束阻止了系统横向移动,因此,像差动驱动汽车一样,运动蛇只有前进和旋转连接向量场。这些向量场具有奇点,这是约束之间相互作用的结果。运动学蛇的两种步态在形状空间中轨迹相同,但起点不同。因为改变起点改变了前进和旋转运动的顺序,两种步态产生了显著不同的净位移。

  • 手术机器人- LSTAT/蛇机器人-创伤和运输的生命支持-战场诊断机器人

  • LSTAT/Snake Robot项目描述:
    LSTAT(创伤和运输生命支持)系统包含了ICU的许多功能,但完全包含在担架中。它装有除颤器、供氧器、呼吸机和各种形式的生理监测。它是由综合医疗系统公司建造和开发的,目前在伊拉克和阿富汗使用。

    我们正在与美国陆军的TATRC部门(远程医疗和先进技术研究中心)合作,将蛇机器人集成到LSTAT系统中。我们相信,像我们的蛇机器人这样的超冗余操作器可以让医护人员在伤员离开战场之前就开始对其进行检查和治疗;它将通过高效利用空间和最小的附加重量来实现这一目标。由于大多数战争期间的死亡都是由于失血造成的,能够尽早开始治疗往往会产生至关重要的影响。
    • 蛇机器人检查躺在LSTAT上的骷髅头

    • 蛇机器人正在检查躺在LSTAT上的一具骨架的腹部

  • 我们的机器人

    • 模块化的蛇

    • 蛇机器人可以利用它们内部的许多自由度穿过拥挤的空间,到达人或机器无法使用的位置。

      此外,这些高度连接的装置可以协调它们的内部自由度,以执行各种运动能力,超越了传统轮式机器人和最近开发的腿机器人的能力。这些设备的真正力量在于它们是多功能的,实现的行为不仅限于爬行、攀爬和游泳。

      蛇步态
      modsnake项目的核心任务是开发新颖的步态,即蛇机器人关节角上的循环输入,其内部运动提供所需方向上的净位移。我们已经开发了几个步态描述了一小组参数,如下所述。虽然我们不能声称我们的步态模型具有全面性,但我们已经能够模仿所有的生物步态,并开发出超越生物能力的步态。
      然而,许多任务不能仅仅通过执行参数化步态来完成。这些情况的出现是由于任务的复杂性和机器人硬件的限制,如尺寸和电机强度。脚本步态是专门为机器人开发的,以完成所需的任务。这类任务的例子包括爬楼梯、穿越缝隙、把手伸进墙上的洞里、穿过铁轨和机器人头部的摄像头扫描
    • 树干蛇

    • 设计蛇形机器人的主要挑战是将驱动关节放在一个紧凑的空间中,使关节之间的连接的长度和横截面面积最小化。我们设计的主要概念和其他许多设计一样,是将两个自由度的关节叠加在一起,形成一个蛇机器人。这类机器人主要有三种设计流派:驱动万向节、角旋转节和角斜角节。

      驱动万向节
      首先想到的最简单的设计是将简单的转动关节尽可能地堆叠在一起,这导致了驱动万向节的设计。顾名思义,他的设计包含了一个万向节和两个电机,以驱动万向节的两个自由度。这种设计有许多变体:最简单的一种是将旋转关节垂直堆放,并且彼此尽可能靠近,如图1所示。这类设计往往体积庞大且速度缓慢,因此不适用于许多蛇形机器人的应用。

      这种设计方法的主要挑战是使关节尽可能紧凑,但足够强,具有可感知的弯曲范围。这种设计的主要好处之一是,你只需要一个电机驱动一个自由度,而不是网页上的其他设计,在任何时候都要驱动两个电机。然而,转矩转移到电机是相对较大的,因此需要更高的削减。通常采用蜗轮蜗杆的动力螺杆来实现高减速,因此机构速度较慢。

      角度旋转接头设计
      第二个进化的设计是角旋转关节,这出现在喷气推进实验室的蛇机器人中。这是更紧凑的两自由度关节。设计很简单:从一个球体开始,然后将球体切成两部分,使切片平面与球体的南北极轴横向。现在,把一个半球相对于另一个半球旋转,注意北极穿过公转锥体时的运动。通过被动万向节连接两个相邻的蛇形槽,然后通过协调两个球杯的旋转产生两个自由度:平面内弯曲和定向。这是迄今为止最紧凑的接头设计。然而,在这里,我们正试图开发一种新的紧凑的两自由度关节。

      角斜角接头设计
      在这里,我们试图开发一种新的紧凑的两自由度关节。我们致力于优化这些关节的尺寸、强度、可达性和灵活性。到目前为止,我们已经设计了三种新型的关节。

      我们已经设计和建造了许多原型:
      ——角斜
      ——方向保护
      ——无齿轮
      -双角斜角
    • 医疗蛇机器人

    • 为了克服目前可用于微创心脏手术(MICS)的辅助技术的局限性,我们开发并测试了基于创新方法的高关节机器人探针(HARP)的第一个原型。我们假设,对于涉及心外膜对跳动心脏干预的手术,MICS可以通过HARP有效地实现,通过剑状下端口进入心外膜腔,到达心外膜上的远端心外膜内位置,而不引起血流动力学和电生理干扰,附着在目标表面,并在外科医生的直接控制下进行治疗干预。

      我们坚信HARP的功能将最终应用于多种心包内治疗(例如通过心包内注射进行细胞移植,心外膜消融,心外膜引线放置再同步化等)。我们的长期目标是实现我们集团的“心外膜前沿”愿景,通过开发和测试新的专门的创新机器人技术,使心外膜疗法的投资组合不断增长。我们设想,基于harp的心包内治疗不仅可以被微创心脏外科医生采用,也可以被介入心脏病学家和电生理学家采用。
    • 蛇形机器人运动的环面皮驱动

    • 小型机器人有可能进入人类无法进入的密闭空间。然而,轮式和履带式系统的机动性在杂乱的环境中受到严重限制。蛇机器人采用仿生步态运动,可以在很多情况下提供更好的通道,但速度很慢,很容易被绊住。

      该装置引入了蛇形机器人移动的另一种方法,机器人的整个表面提供持续的推进力,在许多环境中显著提高速度和机动性。

      这个项目是与上汽集团合作的。SAIC项目成员包括David Anholt和James McKenna。
    • 分布式处理

    • 我们正在开发一种平面上操作物体的替代方法,即固定在平面阵列上的多个小操作单元协同操作物体。在我们的系统中,每个单元由一对执行器组成,它们的联合作用可以在任何平面方向上对位于阵列顶部的一个包裹施加力。此外,每个单元包含多达5个二进制传感器,用于检测物体的存在。

      在我们的系统中,包明显大于每个细胞;多个单元格处理单个对象。通过适当的协调,可以使位于阵列顶部的包裹在平面上平移和旋转。由于传感和驱动是分布的,许多包裹中的每一个都可以独立操作,看起来就像每个包裹都由单独的车辆运载。因此,虚拟车辆的名字。

      对于许多应用,专用机器人或输送机是最简单和最合适的解决方案。然而,在有些情况下,需要一些特性,例如额外的灵活性和可重构性。在这些情况下,虚拟交通工具具有许多优点,包括
      • 灵活性.由于驱动是分布式的,所以可以独立地操作多个包。这使得包裹可以快速分类、重新订购和重新定向。可以轻松地传递许多大小和形状的对象,并且可以并行调用多个对象路径。
      • 冗余.由于虚拟车辆系统是一个大量并行的单元阵列,如果一个单元损坏了,相邻的单元就会围绕损坏的单元工作,要么绕着损坏的单元转移包裹,要么直接把包裹传递过去。
      • 模块化/重构性。许多电池由于体积小和相对简单,可以以低成本生产。这些细胞被设计成“折断”在一起形成一个阵列。这种模块化允许以任何配置排列单元。通过移动单元格和添加新单元格,可以轻松地重新配置数组。模块化还使修复变得容易,因为只需更换损坏的单元。
      • 可伸缩性.细胞可以被设计成可以携带各种大小的物体。例如,微机械执行器可以携带集成电路组件等近乎微观的物体,而小型塑料轮子可以携带行李箱(多种尺寸)通过机场,大型卡车轮胎可以携带箱式汽车在船舶/火车场里绕场。
      虚拟车辆可以与传统机器人和传送带结合使用,形成混合系统。例如,在机场行李处理中,可以使用长传送带来长距离运输包裹,而在传送带连接处可以安装虚拟车辆阵列来分类和重新引导包裹交通。在柔性制造中,虚拟车辆可用于在机器人工作空间之间运输物体,其中简单的机器人用于物体固定。

      我们已经建立了一个原型系统,由一个小阵列的细胞组成,能够运输面包盒大小的物体。每个单元由一对正交方向的电动滚轮(图3和图4)组成,它们能够产生垂直于其轴的力,同时允许平行于其轴的自由运动。每个轮子通过一个小型直流电机的齿轮减速驱动。
    • Fullabot

    • Fullabot是一种通道爬行机器人,用于在埃及纪念碑的小通道中穿行,也用于城市搜索和救援。这个机器人的足迹比一张纸还小,高度只有4英寸,可以在非常狭窄的空间有效地移动。采用驱动悬挂,大车轮和极低的重心,Fullabot也可以爬过崎岖的地形。

      这个项目由Gregg Podnar领导。
  • 排雷

  • 这项工作发展扫雷目标区域的关键技术,不论目标区域是在浅水区、陆地上还是在它们之间的交界面。扫雷的关键第一步是找到地雷。搜寻地雷是一项危险而昂贵的工作。机器人的使用立即绕过了危险,降低了成本,并可能加快了过程。在扫雷时,机器人必须让探测地雷的传感器探测该区域内可能隐藏地雷的所有点。要做到这一点,机器人必须穿过目标区域的一条精心规划的路径。这项工作的目标是开发智能算法,以保证机器人完全覆盖目标区域,或目标高度集中的部分区域。这项努力还强调,智能算法不一定需要很高的计算预算,因此可以在廉价的户外移动机器人上运行。因此,我们正在开发新的廉价户外移动机器人,并在这些机电一体化系统上编码我们的算法。

  • 综合规划与控制的混合控制

  • 本文研究了凸体轮式移动机器人在复杂平面环境中同时规划和控制运动的控制策略的构建。由于控制、非完整约束和避障之间的关系,这一导航问题具有挑战性。目标是在其环境中移动机器人,使其到达指定的目标集,而不接触任何障碍,同时尊重系统固有的非完整约束和速度(输入)边界。
    解决这个问题的传统方法通常是解耦导航和控制。首先,计划者找到一条路径,然后反馈控制策略尝试遵循这条路径。通常这些方法假设机器人的身体是一个点或圆形的;其他非平凡的机器人身体形状使寻找安全路径的问题复杂化,因为路径必须在机器人的自由构型空间中规划。这就留下了一个具有挑战性的问题,即设计一个收敛于一维路径的控制律,同时保持相对于障碍物的安全性。这种解耦方法导致鲁棒性的损失,可能需要在操作过程中重新规划,或可能导致碰撞,因为机器人试图收敛到一个安全路径。如果在控制律上添加避障层,可能会使控制律的收敛保证失效。

    我们通过生成一个机器人可以“流动”的向量场来解决导航和控制耦合问题。“不幸的是,确定一个全局向量场,满足所有这些目标的约束系统可能是相当困难的。我们的方法受到顺序组合思想的启发,使用局部反馈控制策略的集合加上切换策略来生成向量场。概念概念如下所示。

    它不是试图设计一个复杂的全局控制律,而是在局部区域上定义更简单的控制策略。通过组合这些相对简单的策略,可以在策略域的联合上归纳出一个分段连续的向量场。策略由定义在机器人自由构型空间局部区域(称为单元)上的与构型相关的向量场来指定。根据这个向量场和当前机器人状态的知识,控制输入被确定,以便闭环动态流向单元内设置的指定策略目标

    一个策略的域到包含第一个策略的目标集的第二个策略的域之间的转换,诱发了一个离散的转换关系,它可以用图表示。在线规划,以及在变化条件下的重新规划,在图上变得更容易处理,允许我们使用许多离散的规划工具来处理这个本质上连续的问题。通过根据离散规划器确定的顺序对局部策略进行排序,闭环动态可以诱导出离散规划器所需的离散过渡。整体混合(切换)控制策略响应系统扰动而不需要重新规划。面对不断变化的环境条件,离散图允许快速在线重新规划,同时继续尊重系统约束。

    通过这样的规划与控制耦合,混合控制系统在控制策略的离散空间中进行规划;因此,这种方法与传统技术不同。“单薄”路径或轨迹从未明确规划过;相反,由闭环动力学诱导的轨迹沿着由主动策略定义的向量场流动,根据离散规划器确定的顺序选择主动策略。与策略集合相关联的离散图上的规划对应于相关本地策略域中的一组“厚”配置。

    • 本地反馈控制策略

    • 四个不同的初始条件收敛到由局部反馈控制策略组成的总体目标。图中显示了实际的机器人数据。
    • 基于“复杂”电位的控制策略

    • 简单控制策略的组成

    • 目标设置为右的策略示意图

    • 诱导转变图