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  • 提供配置文件
  • 在远程机器人实验室，我们对操纵远程环境的机器人系统感兴趣。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制的微型机器人，以在人体内导航。我们的微型机器人不是作为自主系统，而是更像新型远程操作系统的末端执行器，这与以前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在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

  • 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，或者可以用作微操作系统的末端执行器。
      • 1.螺旋磁性微型游泳器
        有一类不系绳的微型机器人使用螺旋螺旋桨(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以推进，以及引导微型机器人。
        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。我们已经开发了模型，这样我们现在就可以计算任意磁场在轴对称软磁性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，使用一个连续的模型，统一了两个不同的磁模型。持续的扭矩和力跟随。该模型得到了实验验证，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。我们可以计算磁场方向，使给定磁场大小的扭矩最大。我们还发现，对于给定的物体几何形状和材料，可以在相对较弱的应用磁场下产生绝对最大扭矩。我们已经扩展了该模型，以考虑可能具有更复杂几何形状的组装mems设备的实时控制。通过有限元分析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.

  • 人工耳蜗植入的机器人辅助

      • 人工耳蜗的磁转向

      • 该项目的目标有两个:提高人工耳蜗植入手术的安全性，提高人工耳蜗植入的功能性。人工耳蜗是通过外科手术植入耳蜗的电极阵列。它的目的是让失聪的人恢复听力。在植入手术过程中，有很多事情都可能出错。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的地方，这将导致听到低频的声音，以及将植入物更紧密地缠绕在神经周围，这将导致更好的频率辨别和提高功率效率。

        我们的目标是利用磁场来控制人工耳蜗植入时的尖端。我们在这里展示的实验装置的图像显示了一个机器人阶段，它将一个按比例的植入原型插入到一个高级仿制学按比例的人工耳蜗植入模型中，同时ATI Nano17力传感器测量插入力。第二个机器人阶段将一个大的永久磁铁移向或移离耳蜗，与此同时，一个马达将磁铁与植入物同步旋转。

      • 用于体外插入实验的Scala-Tympani幻影

      • 对于人工耳蜗植入实验，例如在拟议的磁性导向植入物的开发中，最好有一个鼓膜幻像用于实验室实验。我们基于已发表的解剖数据开发了一个模型，可用于在任何所需的尺度上创建一个鳞片-鼓室模型。研究结果将发表在ASME医疗器械杂志上。下面是用于生成模型的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幻影显示在图像中。

  • 导纳型设备的触觉交互

      • 触觉设备通常是阻抗类型的机器人，这意味着它们被设计成具有非常小的惯性和摩擦力，这样人类用户只能体验到虚拟环境输出的力。导纳型机器人带有大量的惯性和摩擦，这使得它们非常适合缓慢、精确的运动，但它们很少被用作触觉设备。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，这种感应到的力被指挥成可控的运动，导致与使用阻抗型设备时明显不同的体验。导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。导纳型设备也显示出作为精确的主从遥控操作系统的人工输入设备的前景。

        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

      • 鸣鸟靠一根肌腱栖息，当腿塌陷时，它的脚就会闭合。我们正在开发受鸣禽的脚和腿启发的抓取器，这将使飞行的旋翼机器人，如直升机和四旋翼飞行器，能够像鸟一样栖息。

  • 在跑步港康复

  • “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Treadport应用于脊髓损伤患者的康复。

  • 如何使用两个Novint猎鹰构建一个便宜的五自由度触觉设备

      • 在本页中，我们将演示如何将两个Novint Falcons(一种廉价的商用触觉设备)改装成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的价格为250美元)。该设备旨在作为一种教育工具，让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-DOF力反馈。市面上已经有了5- dof和6-DOF设备，而且感觉很好，但它们的价格很容易就会超过5万美元。我们的5-DOF设备感觉不太好，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，所以你总是可以很容易地将你的猎鹰恢复到原来的状态。

        左边的图片是5-DOF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方便。由于Novint Falcons的活动范围有限，必须为给定的应用选择最佳的触控笔配置。在本页上，我们将解释如何为自己建造设备，我们将解释如何实现一个5-DOF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，我们还将解释如何实现重力补偿，使现在更重的猎鹰感觉很轻。重力补偿算法也可以应用到标准猎鹰没有我们的5-DOF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5-DOF设备，增加的重力补偿也会让重型猎鹰感觉更好。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布拉德·尼尔森的实验室进行的。
      • 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咽的相机，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，例如提供控制运动的腿，或诊断病理的工具。然而，在不增大胶囊的情况下增加更多功能是困难的，因此更难吞咽。

        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。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见的构建块。它通常被实现为弹簧或弹簧阻尼器表面;当触觉设备穿透虚拟墙时，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)，我们想让虚拟墙壁感觉非常坚硬。然而，虚拟墙太硬会导致不稳定，触觉设备会在虚拟墙上振动，破坏任何现实的幻觉。
        被动系统是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。
        以前的工作已经考虑了采样率(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，我们采取了下一步，并额外考虑了位置量化(由于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，使用一个将用户fh施加的力与触觉设备x的位置联系起来的模型。
        我们的分析结果是保证虚拟墙系统无源性的简单条件，如图所示:
        K < min(2b/T, 2fc/Delta)
        其中K为{N/m}中的虚拟壁刚度，b为{Ns/m}中的粘性摩擦，fc为{N/m}中的库仑摩擦，Delta为{m}中的编码器分辨率。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，因此考虑这些影响对于精确的无源性分析非常重要。

      • 稳定的禁区虚拟装置

      • 在软件中实现了一个虚拟夹具的禁区约束，以防止机械臂进入禁区。禁区虚拟装置有可能增加远程操纵任务的安全性。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虚拟装置)可以表现出不稳定的振动。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夹具

  • 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，或者对人类直接操作来说是危险的。它在非结构化环境中尤其具有优势，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。“双侧遥控操作”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，“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法则，称为“虚拟装置”，它弥合了严格自治系统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引导模式，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、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。

        我和主从远程操作者一起工作过。在远程操作中，用户操作的机器人在某个遥远的位置(可能是数千英里，也可能是在同一个房间)。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(或至少相似)的主机器人，然后从机器人跟随它的移动。

  • 神经假体的脉频调制控制

  • 这是犹他大学的桑福德·米克做的研究。
      • 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。截肢者将控制手臂，就像他/她控制真正的手臂一样。犹他大学生物工程系已经开发出可以直接植入截断神经的电极。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)的流行机电假体犹他手臂(Utah Arm 2)经过改进，可以通过神经信号控制，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，信号中的信息是由脉冲序列的瞬时频率携带的，脉冲本身基本上是相同的。该图显示了脉冲频率调制器的输入/输出行为的示例。神经系统使用这种类型的信号是因为电压在细胞水平上产生的方式。然而，PFM信号很少用于工程应用，因此包含PFM的系统不能很好地理解。
        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，以及预测不期望的极限环的振幅和频率的方法。本文还提出了一种数字生成脉冲频率调制器仿真的方法。