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  • 在远程机器人实验室，我们对操纵远程环境的机器人系统很感兴趣。我们工作的主要重点是医疗远程机器人。特别是，我们正在研究无线磁控微型机器人在人体内部导航。我们的微型机器人不是作为自主系统，而是更像新颖的远程操作系统的末端执行器，不同于任何曾经存在过的东西。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程序。我们真的快到了!
产品组合

  • 无栓磁性生物医学微型机器人

  • 无线控制微型机器人的一种方法是通过外部施加磁场。这些不系绳的设备可以在体液中进行微创手术和诊断程序，也可以用作微操作系统的末端执行器。
      • 1.螺旋磁Microswimmers
        有一类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，使用的方法是受细菌推进的启发。如果将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推进，以及控制微型机器人。
        2.基于场梯度的眼内微型机器人控制
        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，这些往往不适合用于实时磁控制。我们已经建立了模型，这样我们就可以计算任意磁场在轴对称软磁体上产生的扭矩和力。我们考虑身体的磁化作为应用场的函数，使用一个连续模型，统一了两个不同的磁模型。接下来是连续的扭矩和力。该模型通过实验验证，并捕获了弱场和饱和场之间经常被忽视的区域，在那里可以观察到有趣的行为。我们可以计算给定磁场大小的最大扭矩的磁场方向。我们还找到了一个绝对的最大扭矩，对于给定的身体几何形状和材料，它可以产生相对弱的应用场。我们扩展了模型，以考虑组装的mems设备的实时控制，这些设备可能具有明显更复杂的几何形状。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.

  • 人工耳蜗植入机器人辅助

      • 人工耳蜗的磁性转向

      • 这个项目的目标有两个:提高人工耳蜗植入程序的安全性，以及提高人工耳蜗的功能。人工耳蜗是通过外科手术植入耳蜗的电极阵列。它的目的是让耳聋的人恢复听力。在植入手术过程中，有很多事情会出错。即使植入成功，仍有很大的改进空间，包括将植入物插入耳蜗更深处，这将导致听到较低频率的音调，以及将植入物更紧地缠绕在神经周围，这将导致更好的频率辨别和提高功率效率。

        我们的目标是在植入耳蜗时利用磁场来控制耳蜗尖端。我们在这里展示的实验装置的图像显示了一个机器人工作台，它将一个按比例植入的原型插入到先进仿生学按比例植入的耳蜗假体中，同时ATI Nano17力传感器测量插入力。第二个机器人阶段将一个巨大的永磁体移向或移离耳蜗，同时电机旋转磁铁与植入物同步。

      • 用于体外插入实验的Scala-Tympani幽灵

      • 对于人工耳蜗植入实验，例如在开发磁导向植入物时，最好有一个鼓膜幻影用于实验室实验。我们根据已发表的解剖学数据开发了一个模型，可用于在任何所需的比例上创建鳞片-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。下面是用来生成模型的Matlab文件，以及可以用来创建3:1比例的幻影的SolidWorks模型。我们制作的ST幻影如图所示。

  • 与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，这样人类用户只能体验到虚拟环境输出的力。导纳型机器人具有大量的惯性和摩擦，这使它们非常适合于缓慢、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，这种感知到的力被命令控制运动，导致与使用阻抗类型的设备明显不同的体验。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手术机器人，以及最近犹他大学的主动扶手。导纳型设备也有望作为精确的主从遥控操作系统的人工输入设备。

        我们正在探索人类在精确操作任务中如何与导纳型设备交互。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

      • 鸣鸟靠一根肌腱在腿塌陷时使足部合拢。我们正在开发的抓手的灵感来自于鸣鸟的脚和腿，它将使飞行的机器人旋翼飞行器，如直升机和四旋翼飞行器，能够像鸟一样栖息。

  • 在跑步机里康复

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

  • 如何用两只Novint猎鹰制作一个便宜的5自由度触觉装置

      • 在这一页中，我们将演示如何修改两个Novint Falcons(廉价的商用触觉设备)，以低于100美元的价格创建一个可重构的五自由度(5-DOF)触觉设备(另外两个Falcons的价格，最后一次检查的售价为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3-DOF力反馈的廉价设备。市面上有5和6自由度的设备，感觉不错，但它们很容易就能卖到5万美元或更多。我们的5自由度设备感觉不太好，但价格只有它的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，所以您总是可以轻松地将您的猎鹰恢复到原始状态。

        左边的图片展示了5自由度设备的不同配置。每种配置都使用相同的触控笔，因此更改配置既快捷又容易。由于Novint Falcons的运动范围有限，必须为给定的应用选择最佳的触控笔配置。在这一页，我们解释了如何为自己构建设备，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调行动，我们解释了如何实现重力补偿，使现在更重的猎鹰感觉轻。重力补偿算法也可以应用到标准猎鹰不需要我们的5自由度修改。

        在这个项目的过程中，我们为猎鹰号开发了一个重力补偿程序。即使你不想建造改进的5自由度装置，增加的重力补偿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。

  • 自组装可吞咽模块化机器人

  • 这项工作是在苏黎世联邦理工学院的Brad Nelson的实验室进行的。
      • 胶囊内窥镜如给定成像的M2A在临床应用中越来越受欢迎。胶囊内窥镜是一种可吞咽的摄像机，它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致力于为胶囊内窥镜增加功能，如提供控制运动的腿，或诊断病理的工具。然而，在不使胶囊变大的情况下，增加更多的功能是困难的，因此更难以吞咽。

        作为ARES项目的一部分，我们正在努力开发一个可吞咽的模块化机器人系统。其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，形成具有所需功能的更大结构。我们的研究主要集中在磁性自组装方面。

  • 稳定的触觉交互

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

      • 位置量化和采样率对虚拟壁无源性的影响

      • 虚拟墙是触觉虚拟环境中最常用的构件。它通常被实现为弹簧或弹簧阻尼表面;当触觉装置穿透虚拟墙时，就会发出与穿透深度成正比的力。为了让虚拟环境感觉像真实的材料(钢铁，木材等)，我们想让虚拟的墙感觉非常僵硬。然而，让虚拟墙壁过于僵硬会导致不稳定，触觉设备会对着虚拟墙壁振动，破坏任何现实的幻觉。
        无源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)。自然界中所有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，如果我们制造被动的机器人系统，那么人类也会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)和触觉装置关节中的粘性摩擦的相互作用。在这项工作中，我们进行了下一步，并额外考虑了位置量化的影响(由于使用光学编码器测量机器人的位置，这是标准实践)和库仑摩擦(使整体摩擦模型更精确地用于建模电机等)。我们考虑触觉装置，实现一个基本的弹簧虚拟墙，使用一个模型，将用户fh施加的力与触觉装置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)
        其中K为虚拟壁刚度({N/m})， b为黏性摩擦({Ns/m})， fc为库仑摩擦({N/m})， Delta为编码器分辨率({m})。这项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精确的被动分析非常重要。

      • 稳定禁区虚拟装置

      • 禁区虚拟夹具是在软件中实现的一种约束，它有助于使机械臂远离禁区。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(也就是那些实际上有效地将从机器人挡在禁区之外的装置)会显示出不稳定的振动。我们的研究解决了这一稳定性问题，并提出了一种预测(并因此预防)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装置

  • 这项研究是在约翰霍普金斯大学的Allison Okamura实验室进行的。
      • 远程操作，即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，或对人类直接操作来说是危险的。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。“双侧远程操作”通常指的是一种远程操作系统，其中操作员操作“主”机器人设备，“从”设备模拟主人的行为，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操作者提供任何智能辅助。因此，我们正在开发新的人机协作控制律，称为“虚拟装置”，它可以弥合严格自主系统和严格远程操作系统之间的差距。术语“虚拟夹具”指的是在软件中实现的一般一类引导模式，它通过将运动限制在限定区域和/或影响沿预期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和更快的操作。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。

        我使用主/从式远程操作器。在远程操作中，用户操作位于某个遥远位置的机器人(可能是数千英里外，也可能是在同一个房间内)。在主/从远程操作中，用户不是用操纵杆或键盘控制远程(从)机器人，而是移动一个相同(或至少类似)的主机器人，然后从机器人跟随它的移动。

  • 神经假体的脉冲频率调制控制

  • 这项研究是由犹他大学的桑福德·米克完成的。
      • 该项目的目标是将义肢直接连接到被截肢者的周围神经系统。被截肢者将控制手臂就像他/她控制真正的手臂一样。犹他大学的生物工程系已经开发出可以直接植入截去的神经的电极。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。运动控制公司(Motion Control)的流行机电假体Utah Arm 2经过改进，可以使用神经信号控制，而不是目前使用的肌电信号(从肌肉表面测量的肌电图信号)。它还被赋予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，信号中的信息是由脉冲序列的瞬时频率承载的，而脉冲本身本质上是相同的。该图显示了脉冲调制器的输入/输出特性的一个例子。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信号很少在工程应用中使用，因此包含PFM的系统并不被很好地理解。
        我们考虑了调制PFM信号的方法(即从连续信号创建脉冲序列)和解调PFM信号的方法(即试图从脉冲序列重建原始连续信号)。我们开发了分析使用PFM信号的闭环系统稳定性的方法，以及预测不需要的极限环的幅值和频率的方法。本文还提出了一种脉冲调制器的数字生成仿真方法。