机器人21日xx

• 手术机器人

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  • 三维超声引导机器人运动补偿在心脏手术中的应用

  • 传统上，外科医生在心脏手术中通过停止心脏并使用心肺机泵血和给血液充氧来处理心脏运动。人们对避免使用心肺机很感兴趣，因为它有严重的副作用。此外，对静止心脏进行手术的结果很难预测。心脏搏动手术可以防止与心肺机相关的疾病，并通过允许外科医生在手术中评估修复来潜在地改善手术结果。然而，由于心脏运动的原因，外科医生很难进行这种手术。我们开发了一种3D超声波引导的运动补偿系统，可以跟踪心脏运动，并允许外科医生对跳动的心脏的快速运动结构进行手术，而不会有损坏它们的风险。
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  • 实时三维超声指导心内搏动心脏手术

  • 为了在患者心脏内进行手术(心内手术)，必须进行体外循环，这样外科医生才能在放松的开放心脏上工作。虽然这项技术是目前的标准，但新的研究已经确定了体外循环的许多不利影响。微创手术可以消除对体外循环的需要，从而允许外科医生直接在跳动的心脏内工作。不幸的是，由于血液不透明，传统的内窥镜是无效的，目前还没有合适的成像方式来促进心脏内搏动手术。然而，飞利浦医疗系统公司最近的发展已经产生了一种新的实时三维超声系统，它可能使心脏跳动的心内手术成为可能。
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  • 手术中的力反馈:钝性夹层分析

  • 力反馈被广泛认为可以提高机器人手术的性能，但其益处尚未得到系统评估。在这项研究中，我们研究了力反馈对钝性解剖任务的影响。受试者使用远程机器人系统在合成模型中暴露动脉，同时使用视频腹腔镜观察手术部位。比较了力反馈增益75%和150%与无力反馈的性能。没有力反馈使施加在组织上的平均力值增加了至少50%，并使峰值力值增加了至少2倍。损伤组织的错误数量增加了3倍多。力反馈并没有显著提高解剖的速度和精度。我们假设力反馈在钝性剥离任务中是有帮助的，因为动脉比周围组织更硬。这种机械的对比限制了被试者的手做出不恰当的动作，从而产生巨大的力量。

• 手术建模与计划

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  • • 二尖瓣建模:

    • 心脏二尖瓣的外科修复是困难的。修复通常是在心脏搭桥的情况下进行的(即，放空血液，不再跳动)。由于心脏处于这种状态，外科医生很难预测如何修改瓣膜的结构，以便在缝合心脏、重新充血并恢复跳动时，瓣膜能够正常工作。基于患者特定医学图像的手术计划系统，允许外科医生模拟和比较潜在的修复策略，可以极大地改善手术结果。在这样的手术模拟器中，用于关闭瓣膜的力学数学模型必须能够快速计算关闭状态，并处理由连接瓣膜小叶的弦所施加的复杂边界条件。我们开发了一种系统，用于从打开阀门的体积图像数据中生成阀门表面的三角网格。然后，我们使用质量-弹簧动力学模型快速计算网格的闭合位置。

• 遥控机器人

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  • 遥操作机器人连杆和关节柔性的影响

  • 远程操作系统使用户能够与人类无法直接接触的环境进行交互，例如，由于其空间受限或距离较远。微创手术和空间探索是远程机器人操作具有优势的两个例子。触觉反馈可以提高空间和手术远程操作的任务表现。目前的触觉遥操作研究假设从机的动力学是理想的，即单质量(或质量和阻尼器)模型。这种假设在目前的空间和手术机器人中被严重违反，因为机器人的链接和关节存在灵活性。事实上，太空机器人被设计成重量轻、结构紧凑，以使机器人控制期间的升空成本和能源消耗最小化，因此涉及到灵活性。手术机器人有很薄的器械，可以通过端口进入患者身体，达到最小的侵入性。随着手术器械变得越来越薄(例如，在儿科手术中小于3毫米)，工具灵活性的影响变得更加严重。此外，由于空间限制，远端灵巧手腕的驱动从患者外部执行，并通过柔性电缆传播到手腕，这引入了关节的灵活性。在这项工作中，我们系统地分析了机器人连杆或关节灵活性下的透明度和稳定性限制，并研究了尖端传感器在具有柔性从站的遥操作中提供的额外好处，以及减少或消除触觉遥操作中灵活性影响的成本-收益权衡。
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  • 远程操作的世界建模

  • 目前，遥操作是机器人在非结构化环境中执行复杂操作任务的唯一方式。在这种控制模式下，人类操作员执行所有必需的传感和规划，并根据来自远程环境的反馈生成所有运动命令。在实际的遥操作系统中(如水下操作、遥手术等)，感官反馈往往局限于没有力反馈的视频图像，这极大地限制了灵活性和工作效率。我们一直致力于通过使用来自远程机器人手臂传感器的信息来协助远程操作任务来缓解这种情况。我们已经推导出了识别远程环境中对象的基本局部几何属性的算法，包括几何形状、尺寸和方向。

• 组织力学

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  • 肝脏对手术操作的非线性机械反应特征

  • 计算机辅助医疗技术，如用于手术训练和计划的模拟器，需要在大变形下准确地表示软组织行为。目前，有限的数据集和不现实的软组织模型阻碍了手术模拟的发展。这项工作提供了数据和建模工作，以实现肝脏的本构模型，其参数具有物理基础。该模型可以独立于负荷方式预测肝脏的行为。将这种基于物理的本构模型实现到仿真系统中，可以提供真实的行为，并确保所犯的错误不是来自虚拟环境。
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  • 基于图像的软组织力学表征

  • 传统的材料测试方法，如压痕测试，只能提供有限的材料响应的局部洞察。本项目旨在将三维超声成像与常规压痕测试方法相结合，开发适用于材料参数估计的参数识别技术。通过成像获得的完整变形场估计被纳入迭代有限元建模(FEM)方案，以识别基于物理的非线性孔隙-粘弹性本构律的组织特定参数。

• 机器人抓取和形状沉积制造

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  • 通过形状沉积制造的健壮的机器人机构和传感器

  • 以生物为灵感的设计的最大成功之一是开发出了机械坚固的机器人。一种很有前途的仿生制造技术是形状沉积制造(SDM)，它交替使用材料沉积和机械加工来生产具有柔性关节和嵌入式传感和驱动元件的机器人结构。我们探索了使用形状沉积制造构建一个简单的双指夹持器的好处，并通过开发一系列与该过程兼容的传感模式，为机器人设计师添加了可用的工具。其中包括用于关节角度传感的霍尔效应传感器，用于3轴力测量的嵌入式应变计，用于触觉传感的光学反射传感器，以及用于接触检测的压电聚合物。除了简单的施工过程外，所得到的部件非常坚固，在由于意外接触而产生的高冲击载荷和其他力后功能齐全。
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  • 非结构化环境的兼容抓取

  • 顺应性传达了机器人抓取的几个优点。在非结构化环境中，传感的不确定性很大，目标物体的大小和位置可能不太清楚。手指顺应性允许夹持器顺应范围广泛的对象，同时最大限度地减少接触力。机器人关节顺应性或刚度通常被考虑在主动控制的背景下，其中主动控制使用传感器和执行器来实现所需的力-偏转关系。相比之下，通过机器人关节中的弹簧实现的被动顺应提供了额外的好处，特别是在冲击中，控制回路延迟可能导致接触力控制不良。创建主动遵从性所需的感知需求的减少也会导致更低的实现成本。
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  • “软”抓手和Bugbots

  • 斯坦福大学和加州大学伯克利分校的合作者利用昆虫的运动特性和新的制造技术，设计并制造了一种以蟑螂为模型的机器人。这个机器人有趣的特点是一个被动的橡胶弹簧关节连接腿和身体。这个关节，模仿昆虫有弹性的、弹性衬里的关节，在没有感觉反馈的情况下，帮助排除干扰。我们对这个项目的贡献将是一个机械夹持器，它使用类似的被动弹簧关节，具有可变刚度，这将有助于在不熟悉的环境中抓取物体，而不使用复杂的感官技术。

• 触觉感应及显示

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  • 用于微创手术的远程触诊仪器

  • 我们正在开发远程触诊系统，在微创手术中将患者体内的触觉信息传递到外科医生的指尖。这些新仪器将包含触觉传感器，可以在操作组织时测量仪器上的压力分布。来自这些传感器的信号将由一个专用的计算机系统进行采样，该系统将应用适当的信号处理算法。最后，触觉信息将通过触觉“显示”设备传递给外科医生，该设备在外科医生的指尖上重现远程压力分布。远程触诊技术的发明将增加目前微创手术的安全性和可靠性，并将微创技术的优势带到其他更复杂的手术中，这在今天是不可能的。
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  • 使用RC伺服马达的触觉形状显示

  • 触觉显示器用于将小尺度的力和形状信息传递到指尖。在本文中，我们提出了一个6x6的触觉形状显示器，使用商业RC伺服马达来驱动一组机械销。该显示器的最大引脚偏转2毫米，分辨率为4位。引脚间距为2mm，引脚直径为1mm。对于小振幅，显示器可以准确地表示频率高达25 Hz，对于较大振幅，旋转速率限制在38 mm/秒。
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  • 触觉形状显示

  • 我们的原型系统中的触觉显示由10个单独驱动的针组成，这些针针对指垫凸起。下图是我们的设计图纸。由于触诊仪器将扫描整个组织，因此选择了直线配置，允许运动提供另一个维度。这也简化了设计。SMA导线用于驱动引脚。当电流加热导线时，导线发生相变并变短，从而将销钉向上推。通过这种设计，每个引脚可以移动3毫米，产生超过1n的力。SMA的一个主要问题是响应时间较慢。我们通过使用水冷却和光学传感器的每个引脚位置反馈来克服这一问题。图5显示了引脚作为期望位置频率的函数的响应。 The output displacement drops by 30% (-3 db point) at 40 Hz. This satisfies the design specification set by the finger speed experiments.
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  • 振动触觉感应与显示

  • 我们开发了触觉传感器和显示器，用于测量和传递机器人操作、遥操作和虚拟环境中与任务相关的振动。振动显示可以通过廉价的开环设备实现，可以添加到许多现有的操作系统中以提高性能。除了开发振动传感和显示设备外，我们还致力于描述高频振动反馈非常重要的各种任务。在检查和探索任务中，振动的检测可能是任务的基本目标，而在一些操作任务中，振动可以通过减少反应时间或允许最小化力来提高性能。研制了大容量水下遥操作机器人振动传感显示系统，并在海洋石油平台上进行了现场测试。

• 生物运动控制

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  • 催眠对脑卒中恢复影响的定量研究

  • 中风后的身体康复需要思想、大脑和身体之间复杂的相互作用。我的研究重点是通过物理治疗期间运动的生物力学分析，运动控制系统神经变化的医学成像和催眠作为改变中风患者精神状态的手段来描述这些相互作用。通过将定量方法与整体康复方法相结合，我希望深入了解身心相互作用如何影响中风后的运动恢复。
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  • 人手的机械阻抗

  • 我们致力于确定人类如何调节他们的手的机械阻抗以响应任务要求。研究结果有助于解释灵巧操作中的感知和运动控制策略。我们的方法包括在任务执行过程中对手和手指的力-运动关系进行实验测量。这些研究测量了食指在伸展和外展时的阻抗，以及在举起时精确捏握的阻抗。我们还研究了阻抗策略的学习，并将这些结果应用于快速任务，如击鼓。