遥操作与远程康复训练机器人

康复机器人技术在康复中的应用康复机器人技术是指将机器人技术应用于医疗康复领域，为需要康复治疗的患者提供辅助康复训练和治疗服务。

康复机器人具备高度的智能化和自动化特点，能够通过模拟人体动作和肌肉活动，帮助患者恢复四肢功能，提高日常生活能力，改善生活质量。

本文将对康复机器人技术在康复中的应用进行探讨。

一、康复机器人技术的种类及原理康复机器人技术包括下肢康复机器人、上肢康复机器人、步态康复机器人等。

这些机器人主要依靠机械结构、传动系统、智能控制系统等技术，通过感知身体运动、分析数据、实施动作等功能，帮助患者进行康复训练和治疗。

1. 下肢康复机器人下肢康复机器人主要应用于下肢功能障碍的患者康复治疗。

它可以通过内置的传感器感知患者的动作和力度，实时监测身体的运动状态，同时根据患者的康复需求提供相应的支持或阻力。

例如，对于行走困难的人，下肢康复机器人可以帮助他们完成膝关节、髋关节等关节的活动，加强肌肉的力量和稳定性。

2. 上肢康复机器人上肢康复机器人主要应用于上肢功能障碍的患者康复治疗。

它可以通过智能控制系统准确地模拟人体上肢的各种动作，帮助患者进行力量训练、运动协调等康复训练。

同时，上肢康复机器人还可以提供实时反馈，帮助患者掌握正确的动作技巧，加速康复进程。

3. 步态康复机器人步态康复机器人主要应用于下肢功能障碍的患者康复治疗。

它可以通过智能控制系统模拟人体正常的步态，并根据患者的特殊需求进行调整。

步态康复机器人不仅可以帮助患者进行步态模拟训练，还可以通过实时调整步态参数，提供恰当的支持和阻力，帮助患者恢复正常的行走能力。

二、康复机器人技术的优势康复机器人技术在康复治疗中有着显著的优势，主要表现在以下几个方面：1. 个性化治疗康复机器人技术可以根据患者的病情和康复需求，进行个性化的治疗方案。

通过对患者进行初步评估，机器人可以根据患者的身体特点和康复目标，选择合适的训练参数和康复模式，推动患者的快速康复。

2. 精确度高康复机器人技术通过内置的传感器和智能控制系统，可以实时监测和分析患者的运动状态，提供精确的运动支持和协调。

国际医疗机器人的发展趋势和特点国际医疗机器人的发展趋势和特点医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。

近年来，医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。

二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会。

DARPA已经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。

欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。

在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。

1、介入式诊疗机器人介入式诊疗机器人是因为无创、微创外科(MIS)的需求而发展的。

所谓无创、微创外科手术，是利用人体天生管腔或手术小孔来导入医疗器械或医疗机器人以实现对人体进行诊断、治疗、检测和手术等，从而减少手术期间对人体其它完好组织的伤害，缩短康复时间，消除手术引起的副作用，降低医疗费用，并减轻患者的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理压力。

目前微创外科手术几乎涵盖了整个外科领域，从胆囊、胃肠、子宫到心、肺、肝、肾等，从活检到病灶切除等，有逐步取代许多常规开刀手术的趋势。

介入式诊疗机器人是无创、微创外科的重要手段。

目前主要研究的方向分为自动化内窥系统的研究、影像胶囊的研究和虚拟内镜的研究。

1．主动内窥镜(activeendoscope)主动内窥镜是在传统内窥镜的基础上，利用机器人技术对其进行改造，以达到提高性能，克服固有的缺点的目的。

常用的方法有将被动介入的内窥镜改造成具有多关节的结构，实现主动控制和对障碍的回避；通过蠕动机构达到在人体腔道内的主动行走，携带内镜通过复杂的腔道；利用螺旋机构旋转运动中介质提供的推进力，在腔道中的黏膜的基础上实现前进动作。

典型的研究如：意大利比萨大学的Mitech实验室进行了一系列的研究，研制出可用于医疗实践的肠道主动内窥镜。

遥操作机器人引言遥操作机器人是一种具有遥控功能的机器人系统。

它允许人们通过遥控器、计算机或移动设备控制机器人的运动和执行任务。

这种机器人系统广泛应用于各种领域，如工业、医疗、教育和娱乐等。

本文将介绍遥操作机器人的工作原理、应用领域以及未来发展趋势。

工作原理遥操作机器人的工作原理可以简单分为三个主要步骤：传感器感知、信号传输和操作执行。

首先，机器人通过内置的传感器系统感知周围环境。

这些传感器可以包括摄像头、触摸传感器、声音传感器和距离传感器等。

通过这些传感器，机器人可以获取周围环境的图像、声音和其他感知信息。

其次，感知到的信息通过无线信号传输到遥控设备，如遥控器、计算机或移动设备。

这些设备通常与机器人通过无线网络或蓝牙进行通信。

通过这种信号传输，人们可以实时接收到机器人感知到的信息。

最后，遥操作设备通过软件或硬件界面向机器人发送指令，控制机器人的运动和执行任务。

这些指令可以包括前进、后退、左转、右转等基本运动命令，以及抓取、放置、扫地等复杂任务命令。

应用领域遥操作机器人在各个领域都有广泛的应用。

工业领域在工业领域，遥操作机器人被广泛应用于危险环境和高风险作业。

例如，在石油和天然气行业，遥操作机器人可以在油井或管道中进行检查和维修工作，减少了工人的安全风险。

此外，遥操作机器人还可以应用于汽车制造、飞机维修和核能工业等领域，提高生产效率和减少人力成本。

医疗领域在医疗领域，遥操作机器人可以被用于手术操作。

通过遥控设备，医生可以在远程控制下操作机器人进行手术。

这种遥操作手术系统可以实现高精度、微创和稳定的手术操作，减少了患者的创伤和恢复时间。

教育领域在教育领域，遥操作机器人可以用于远程教育和实验。

学生可以通过遥控设备与机器人进行互动，学习机器人技术和编程知识。

此外，遥操作机器人还可以帮助教师进行远程实验和演示，扩展教育资源和提高教学效果。

娱乐领域在娱乐领域，遥操作机器人被广泛应用于无人机和机器人比赛。

通过遥控设备，参与者可以操作机器人进行竞技和娱乐活动。

机器人遥操作系统的设计与实现一、概述机器人遥操作系统是指通过计算机网络远程控制机器人运动并进行操作的系统。

本文将阐述机器人遥操作系统的设计与实现，包括硬件框架、软件平台以及网络通讯等方面。

二、硬件框架设计机器人遥操作系统的硬件框架是系统实现的基础，其设计应考虑到机器人的运动机构、传感器的布局以及数据传输。

一般而言，机器人遥操作系统的硬件框架需要包含以下几个部分：1. 机器人动力控制模块机器人控制模块是机器人运动的核心控制单元，包括电机、驱动电路、控制器等，负责控制机器人的运动、停止、转向等操作。

2. 机器人传感器模块机器人传感器模块是机器人的见、听、触感官，包括计量传感器、触摸传感器、影像传感器等，用于采集机器人周围环境的信息，为机器人提供能力支持。

3. 机器人数据传输模块机器人数据传输模块负责将机器人传感器模块采集到的信息传递给机器人控制中心，一般包括WiFi、蓝牙等传输手段，为机器人远程控制提供技术支持。

三、软件平台设计机器人遥操作系统的软件平台设计为机器人控制提供了支持。

软件平台缺乏稳定、高效的控制算法和控制程序，控制系统就无法得到有效控制，因此软件平台的设计十分重要。

机器人遥操作系统软件平台设计一般包括以下几个部分：1. 控制算法设计机器人遥控系统的控制算法设计是关键，它主要包括机器人运动规划、运动控制和定位等方面。

控制算法的设计必须充分考虑到机器人行走稳定性、精度，同时具有良好的响应速度和柔性控制特性。

2. 控制程序设计控制程序设计的核心是机器人操作界面，一般需考虑到交互性、实时性、安全性等方面。

此外，控制程序还应包括故障判断和系统保护等控制功能。

3. 控制参数优化机器人遥操作系统的控制参数需要根据不同的任务进行优化，通常通过模拟机器人运动模型和实际测试等方式确定每个参数的最优值。

四、网络通讯设计机器人遥操作系统的网络通讯设计是实现遥控的必要条件，网络通讯设计一般包括远程命令控制和视频传输等方面。

机器人遥操作技术在当今科技飞速发展的时代，机器人遥操作技术正逐渐成为一个备受关注的领域。

它不仅为我们的生活带来了诸多便利，还在工业、医疗、太空探索等众多领域发挥着重要作用。

简单来说，机器人遥操作技术就是指操作人员在远处对机器人进行控制和操作，使其完成特定的任务。

想象一下，在危险的环境中，如核辐射区域或深海，人类无法直接进入，但通过遥操作技术，我们可以指挥机器人去进行探测、维修等工作。

又或者在医疗领域，医生可以在千里之外操控机器人为患者进行手术，大大提高了医疗资源的可及性。

机器人遥操作技术的实现离不开几个关键的部分。

首先是通信系统，它要确保操作人员发出的指令能够快速、准确地传递给机器人，同时机器人所感知到的信息也能及时回传给操作人员。

这就好比我们打电话，信号要清晰、稳定，不能有卡顿或延迟，否则就会影响交流效果。

为了达到这一要求，科学家们不断探索和改进通信技术，从早期的有线通信到如今的无线通信，从低速传输到高速传输，每一次进步都为机器人遥操作技术的发展提供了有力支持。

其次是传感器系统。

机器人需要通过各种传感器来感知周围的环境，比如视觉传感器（摄像头）、触觉传感器、力传感器等等。

这些传感器就像机器人的“眼睛”和“皮肤”，能够让机器人获取到关于周围环境的详细信息，然后将这些信息传递给操作人员。

操作人员根据这些信息做出判断和决策，再向机器人发送相应的指令。

然后是控制系统。

这是整个遥操作技术的核心部分，它负责将操作人员的指令转化为机器人能够理解和执行的动作。

控制系统要具备高精度、高稳定性和高可靠性，以确保机器人能够准确地执行任务。

同时，它还要能够处理各种复杂的情况，比如机器人遇到障碍物时的自动避让、在不稳定环境中的平衡控制等等。

在实际应用中，机器人遥操作技术面临着许多挑战。

其中之一就是时延问题。

由于信号传输需要时间，操作人员发出的指令到达机器人时可能会有一定的延迟，而机器人反馈的信息回到操作人员这里也会有延迟。

机器人的遥操作技术研究一、引言机器人作为一种能够拟人化行为的智能机器人，目前已被广泛应用于许多领域，如工业生产、医疗保健等。

遥操作技术作为机器人技术中重要的内容，对机器人的控制、运作等方面起到关键作用。

本文主要研究机器人的遥操作技术，介绍机器人的遥控操作、传感器技术、控制算法等方面的研究进展。

二、机器人的遥控操作技术机器人的遥控操作技术作为机器人控制领域的重要分支，其目的是通过遥控器、计算机等设备实现对机器人的远程控制，使机器人能够在远程环境下完成人类所需的各种操作，如工业机器人的物料搬运、病房机器人的患者护理等。

机器人的遥控操作技术已经取得了很大的进步，在机器人的控制精度、运作速度等方面都有了很大的提高。

1. 遥控器技术遥控器技术是机器人遥操作技术中最常见的一种技术。

遥控器通过无线通信协议，将指令传输到机器人中，指导机器人完成各种操作。

目前市场上的遥控器种类很多，每种遥控器都有其独特的特点和优势。

如有些遥控器在传输距离上强于其他遥控器，有些遥控器具有更好的控制精度，而有些则具有更多的操作按键。

2. 计算机远程遥控技术计算机远程遥控技术是基于网络技术的一种遥控技术。

用户可以通过计算机软件来控制机器人在任意距离下工作，这种方法可以有效地扩展机器人的使用场景。

计算机远程遥控技术需要具有较高的实时性和灵敏度，以及快速的反应速度。

目前，通过云技术实现遥控操作已成为一种新的趋势。

用户可以通过云端互联网服务器、移动终端或计算机端进行机器人远程控制，降低了传输延迟，大幅提升了机器人的控制效率和操作便利性。

三、机器人的传感器技术机器人的传感器技术是指机器人通过传感器采集其所处环境信息，以定位自身位置、感知周围的场景等，从而对机器人进行控制和操作的技术。

机器人传感器技术发展迅速，已经广泛应用于机器人导航、环境控制、物体识别等方面。

1. 视觉传感器技术视觉传感器技术是一种基于计算机视觉的传感器技术，通过对图像进行处理，识别出图像中的特征物体。

机器人遥操作控制系统设计与实现随着现代科技的不断发展，越来越多的机器人开始出现在人们的生活中，为生产、服务和科学研究等领域带来了巨大的便利和效益。

但机器人技术的发展必须与遥操作控制系统相结合，才能实现机器人的智能化和自主化控制。

本文将介绍机器人遥操作控制系统设计与实现的相关内容。

一、机器人遥操作概述机器人遥操作是一种通过远程设备或网络对机器人进行控制，对不适合人类直接操作的场景进行介入的技术手段。

它可以应用于各种环境和场景中,如制造业、医疗、军事、勘探和维护等领域。

遥操作系统一般由操作器、控制器和机器人控制软件组成。

同时，通过传感器和摄像头等设备，还可以实时获取机器人所处环境的信息。

这使得用户能够对机器人进行更灵活、更精细的控制，在避免人工操作风险的同时，提高生产效益和作业质量。

二、遥操作控制系统的系统架构遥操作控制系统分为两个主要的部分，即人机交互界面和机器人控制。

人机交互界面通常是由操作器、显示器和摄像头组成，并通过控制器和机器人控制软件，将用户的指令转化为控制机器人的指令。

遥操作系统的系统架构中，机器人控制部分包括了机器人本身、控制器以及控制算法。

其中，控制器负责机器人的动力、通讯和感知等任务，而控制算法则负责的是控制机器人各种动作和运动的规划和执行。

同时，传感器也是遥操作控制系统中不可或缺的部分。

机器人通过传感器获取周围环境的信息，以便识别和感知，这项技术也被称为“遥感技术”。

三、机器人遥操作控制系统的基本设计流程机器人遥操作控制系统的设计流程包括以下步骤：1.需求分析：根据机器人的功能和控制需求，确定遥操作控制系统的功能和技术指标。

同时，需求分析阶段还需要考虑安全性、可靠性和维护性等方面。

2.硬件设计：包括遥操作器、控制器和机器人本身等硬件设备的设计和制造。

3.软件设计：设计并开发控制机器人的软件，需要考虑到机器人的运动控制、传感器数据处理和通信等方面。

4.系统集成：将硬件和软件进行集成测试，测试各个部分之间的协同工作，并优化设计方案和控制算法。

机器人遥操作技术在当今科技飞速发展的时代，机器人遥操作技术正逐渐成为一项引人瞩目的前沿领域。

它不仅为我们的生活带来了诸多便利，还在工业、医疗、航天等众多领域发挥着至关重要的作用。

简单来说，机器人遥操作技术就是让操作人员在远处对机器人进行控制和指挥，使其完成各种任务。

想象一下，你可以坐在舒适的办公室里，通过一系列的设备和通信手段，精准地操控千里之外的机器人进行危险的救援工作，或者在复杂的工业生产线上进行精细的操作，这就是机器人遥操作技术的魅力所在。

要实现机器人遥操作，首先需要有可靠的通信链路。

这就好比是机器人与操作人员之间的“桥梁”，负责将操作人员的指令快速、准确地传输给机器人，同时将机器人的状态和感知信息反馈给操作人员。

在过去，由于通信技术的限制，遥操作往往存在较大的延迟和数据丢失，这严重影响了操作的精度和效率。

但随着 5G 等高速通信技术的发展，通信的实时性和稳定性得到了极大的提升，为机器人遥操作技术的发展奠定了坚实的基础。

在遥操作过程中，操作人员如何获取机器人的状态信息也是一个关键问题。

传感器技术在这里发挥了重要作用。

机器人身上配备了各种各样的传感器，如视觉传感器、力传感器、位置传感器等，它们能够实时感知周围环境和自身的状态，并将这些信息转化为电信号传输给操作人员。

操作人员通过这些信息，就能够像身临其境一样了解机器人所处的环境和工作情况，从而做出更加准确的决策和操作指令。

为了让操作人员能够更加直观、自然地对机器人进行控制，人机交互设备也在不断创新和发展。

传统的键盘、鼠标等设备已经无法满足复杂的遥操作需求，取而代之的是更加先进的手柄、数据手套、动作捕捉设备等。

这些设备能够更加精准地捕捉操作人员的动作和意图，并将其转化为机器人的控制指令。

例如，操作人员戴上数据手套，通过手指的弯曲和伸展，就可以控制机器人的机械手进行精细的抓取动作。

然而，机器人遥操作技术并非一帆风顺，它面临着许多挑战。

其中之一就是操作的准确性和稳定性。

医疗机器人的设计与控制技术随着医学科技的不断进步，医疗机器人逐渐成为医疗领域的一大趋势。

医疗机器人的设计与控制技术在提高医疗效率、减轻医护人员负担、改善患者生活质量等方面发挥着积极的作用。

一、医疗机器人的设计医疗机器人的设计关键在于能够与人类身体相匹配，同时具备可靠性和稳定性。

设计医疗机器人需要考虑机器人的外形、尺寸、重量、材质等因素。

机器人的外形应当符合人体工学原理，以提供舒适的使用体验。

尺寸和重量需要合理控制，既能够方便携带和操作，又能够满足各种医疗需求。

材质的选择需要考虑机器人的结构强度和防水性能等方面。

此外，医疗机器人的设计还需要考虑到不同年龄段、不同身体条件的患者的需求，确保机器人可以适用于不同的个体。

二、医疗机器人的控制技术医疗机器人的控制技术是确保机器人按照预定任务进行操作的关键。

控制技术一般分为自动控制和遥操作两种方式。

自动控制是指医疗机器人可以独立完成任务，根据患者的病情和医生的指令进行操作。

自动控制需要依靠各种传感器来获取患者的生理参数，并根据这些参数进行判断和决策。

例如，通过摄像头和红外传感器可以感知患者的位置和动作，通过体温传感器可以感知患者的体温变化。

基于这些信息，机器人可以自主进行判断，如给患者提供药物、帮助患者做一些简单的日常活动等。

遥操作是指医生通过操作台或者控制器远程操控医疗机器人进行操作。

医生可以通过图像传输系统观察到机器人所处的环境，并通过操纵器对机器人进行远程控制。

这种方式适用于一些复杂的手术操作，因为机器人可以更加稳定和准确地进行操作。

三、医疗机器人的应用领域医疗机器人的设计与控制技术的发展，为医疗领域带来了很多创新应用。

以下是其中的几个应用领域。

1. 外科手术：医疗机器人在外科手术中的应用已经成为医疗界的重要发展方向。

机器人可以通过高精度的操作器械、优秀的图像处理和传输技术，提高手术的精准度和安全性。

2. 康复辅助：医疗机器人在康复过程中发挥着重要的作用。

遥操作机器人——机器人遥操作是指操作人员监视和控制远方机器人完成各种作业，从而使机器人能够代替人类在一些无法触及的、甚至一些危机人类健康或生命安全的环境下完成各种任务。

机器人遥操作系统亦是在各种危机人类健康或生命安全的环境的存在的背景下产生的。

遥操作机器人涵盖了许多种类，亦是涉及了各种领域。

在仪器科学与技术概论的第一堂相关课上我们听老师讲解了一些有关的遥操作机器人，在下一堂课我们则以小组的形式利用PPT展示我们感兴趣的某些遥操作机器人的各个方面。

各个小组展示出来的遥操作机器人都很有特色，除了我们小组介绍的机器人之外我印象比较深的则是水下机器人和军事机器人。

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。

水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。

无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。

关于水下机器人的优点、缺点，同学也给出了相关介绍。

1.优点：水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，机械臂能抓起重物，水下机器人在石油开发、海事执法取证、科学研究和军事等领域得到广泛应用。

2.缺点：由于水下机器人运行的环境复杂，水声信号的噪声大，而各种水声传感器普遍存在精度较差、跳变频繁的缺点，因此水下机器人运动控制系统中，滤波技术显得极为重要。

水下机器人运动控制中普遍采用的位置传感器为短基线或长基线水声定位系统，速度传感器为多普勒速度计会影响水声定位系统精度。

因素主要包括声速误差、应答器响应时间的丈量误差、应答器位置即间距的校正误差。

而影响多普勒速度计精度的因素主要包括声速c、海水中的介质物理化学特性、运载器的颠簸等。

水下机器人发展不算早，可分为三个阶段，第一阶段要从1953年算起。

医疗机器人的控制技术及操作指南研究随着人口老龄化的加剧，医疗行业面临着越来越大的挑战。

传统的医疗模式已经无法满足快速增长的医疗需求，因此，医疗机器人成为了日益受到关注的领域。

医疗机器人的出现，不仅为医生提供了全新的工具和技术支持，也为患者提供了更加安全和高效的医疗服务。

本文将重点研究医疗机器人的控制技术及操作指南。

一、医疗机器人的控制技术医疗机器人的控制技术是实现机器人自主运动和操作的关键。

在医疗机器人领域，有几种常见的控制技术，包括遥操作、自主导航和混合控制。

首先是遥操作。

遥操作是一种通过控制设备实现对机器人动作的远程操控方式。

医生可以通过遥控器或者手柄来控制机器人的运动，并通过摄像机实时观察操作区域。

虽然遥操作技术较为简单，但它依赖于操作者的精确操作，因此在某些复杂手术中可能存在一定的限制。

其次是自主导航。

自主导航是指机器人通过感知和判断环境，并以自主决策的方式进行导航和操作。

利用激光雷达、摄像头和传感器等设备，机器人能够实时获取周围环境的信息，并根据预设的路径规划进行移动和操作。

自主导航技术可以大大提高机器人的灵活性和独立性，减少对医生操作的依赖。

最后是混合控制。

混合控制是结合了遥操作和自主导航技术的一种综合控制方式。

在这种方式下，医生可以通过遥控设备对机器人进行初步的操作，而机器人则通过自主导航技术来进行细致的调整和操作。

混合控制技术平衡了医生的操作需求和机器人的自主性，可以更好地适应不同的医疗场景。

二、医疗机器人的操作指南为了更好地应用医疗机器人，并确保操作的安全和高效，制定一套操作指南非常重要。

以下是一些基本的医疗机器人操作指南：1. 培训和认证：医院和医生应接受相关的培训和认证，熟悉医疗机器人的操作流程和技术要求。

只有经过专业培训和认证的医生才能够使用医疗机器人。

2. 检查和维护：医疗机器人应定期进行检查和维护，保证其正常运行。

在每次使用前，操作人员应仔细检查机器人的各项功能和设备完好性，并做好相关记录。

遥操作机器人系统软组织环境触觉建模实验徐晶晶;陈孝凯;曾庆军【摘要】软组织作业环境作为面向微创手术的遥操作机器人系统的一个显著特点,其动力学精确建模具有非常重要的意义.本文研制了一套遥操作机器人实验系统,在动物软组织插针实验的基础上提出了一种交互过程中的非线性软组织力反馈触觉模型,设计了该模型动力学参数辨识的实验研究方法,并通过最小二乘法辨识模型参数.结果表明:本文建立的非线性软组织动力学模型比较准确,能够反映插针过程中力的变化过程,可以应用于虚拟手术仿真和控制策略的研究.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(024)001【总页数】4页(P79-82)【关键词】遥操作机器人;微创手术;软组织;触觉模型【作者】徐晶晶;陈孝凯;曾庆军【作者单位】江苏科技大学,电子信息学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,电子信息学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,电子信息学院,江苏,镇江,212003【正文语种】中文【中图分类】TP391.9遥操作机器人(Tele-manipulation Robot)是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统[1].将遥操作技术与微创手术(Miuimally Inlasive Surgery,MIS)技术结合而成的遥操作机器人微创外科手术(TMIS)系统既克服了传统MIS技术的主要缺点,又可用作训练工具,使得用于外科的遥操作机器人技术成为非常重要的机器人应用技术之一[2-3].人体软组织是外科手术机器人的操作对象,建模中不仅要根据其几何特性建立几何模型,而且还要根据其生物力学特性建立动力学模型.在虚拟手术仿真中，这2种模型分别在视觉上和触觉上产生一种逼真的感觉.此外在机器人辅助的微创手术系统中软组织作为手术器械的作业环境也倍受关注,因此软组织的力反馈触觉模型是目前国内外研究的热点.由于软组织在自然条件下(即在活体中)与在实验测试条件下呈现出不同的行为特征,而且软组织结构不同其行为特征也不同.近年来国内外学者开展了针对与安装有传感器的手术器械交互时的特性进行直接测量及建模研究,并完成了一些动物软组织生物力学实验,特别是软组织插针实验.结果表明,动物体软组织插针交互力具有非常明显的非线性[4-6].文献[7-8]对几种动物器官组织的插针实验结果表明：医用插针与器官组织的主要作用力还是惯性力、摩擦力和弹性力.当器械作用方向与器官表面法向之间存在倾角时,其受力为弹性力和表面摩擦力；而当刺穿表面胶包膜进入组织后受到的主要是摩擦力.文献[9]给出了实际活体的实验受力数据,Barbe采用文献[9]的数据并在文献[10]的基础上研究得出了经实际活体实验受力曲线而拟合(或辨识)的动力学模型[5](1)式中,d0是针插猪肝的起始位置,设为常数;d1是针刺破猪肝膜的位置;参数f0,f1,a0,a1,b0,b1是与软组织机械特性有关的常数.本文针对面向MIS的遥操作机器人系统,提出了一种非线性软组织环境动力学模型,设计软组织环境模型动力学参数辨识的实验研究方法,通过插针实验在线辨识模型参数,建立了一种较准确的软组织环境交互力反馈触觉模型.1 软组织环境力反馈触觉建模实验系统研制1.1 系统结构及工作原理本文在现有的单自由度遥操作机器人系统的基础上,针对软组织环境力反馈触觉建模实验设计了一套实验系统(图1).图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram系统的工作原理如下:在上位机的操作界面设置不同的电机转速,设置完成后点击开始按钮,上位机通过RS-232串口把转速信息传递给单片机,在单片机内通过一定的算法产生PWM波来控制电机的转速,电机以给定速度转动,并带动带有力和位置传感器的单自由度机械手运动,使手术针与软组织产生交互运动.同时上位机通过PCI 数据采集卡实时采集手术针与软组织的交互力和位置信号,将它提供给控制模块，保存在硬盘中并实时显示,进而通过触觉模型计算得到软组织的力反馈触觉模型.1.2 实验系统设计实验系统的电路主要由两大部分组成:模拟量滤波放大电路部分和数字计算机接口及功率驱动部分组成(图2).数据采集系统选用的是研华公司的PCI-1711L数据采集卡.位置和力传感器的信号经过处理后送到数据采集卡.数字电路部分主要分为串口通信电路、单片机及其外围电路和电机驱动电路3个部分.PC机由一定的控制算法产生的电机控制信号经PC机的串口COM1输出,经MAX232电平转换后送至单片机AT89C2051,再由单片机产生PWM脉冲,经光耦TLP421-4控制直流力矩电机转动.图2 信号检测、调理及电机驱动原理Fig.2 Block diagram of signal detection,conditioning and motor drive根据实验要求,机械手一般要求工作在低速、平稳的场合,并能长期堵转,因此要选用低转速、大力矩的直流电机作为该系统的执行元件.本文使用的是北京勇光高特微电机有限公司生产的LY系列稀土永磁直流力矩电动机(型号110LY53).整个系统软件以Visual C++6.0为开发平台.其中主程序是VC++中的单文档框架程序,主程序中有一个10 ms定时器的回调函数.在这个回调函数中调用数据采集处理显示程序,此程序再调用电压值与角度值转换和电压值与力值转换程序来完成它们的转换，并同时将数据存储到文件中.此回调函数还可调用控制算法及控制量输出程序,再进一步调用串口通信程序把电机的驱动信息发送给单片机.下位机主要由单片机构成,负责接收上位机发送的转动方向以及转速大小等信息来控制PWM波的波形,进而控制电机的转动.2 软组织力反馈触觉建模实验结果及分析2.1 软组织插针实验测试结果及分析本文取用屠宰6 h以内的带有包膜的猪肝脏(尺寸为50 mm×80 mm×15 mm),将它装入中部有圆洞的正方盒中并固定在实验台上,进行软组织插针实验,如图3所示.为了减小实验的随机性,实验中对肝脏喷以生理盐水,尽可能真实地模拟生物组织所处的边界条件,同时注意变换接触位置,避免手术针在同一部位重复插针.图3 软组织建模实验系统Fig.3 Experimental system for soft tissue modeling 实验过程中测得固定在机械手上的手术针的力与位置信号,通过Matlab对实验数据进行平滑滤波,得到与软组织环境接触过程中手术针的位置(P)与受力(F)的关系曲线(图4).图4 手术针与软组织环境接触过程中位置与力关系曲线Fig.4 Position-force curve during surgical needle inserted into soft tissue environment从图4可知：手术针在d0位置以前没有和肝脏接触,此时针不受力,当手术针运动到d0位置时,手术针开始接触肝脏.从d0到d1这一段距离由于猪肝脏包膜的弹性比较大,手术针还没有刺穿包膜,手术针受到的主要是肝脏包膜的弹性力，且此弹性力与软组织表面的形变相关.在d1位置肝脏包膜被刺破时,手术针的受力会突然下降,此后手术针在肝脏内部运动,手术针会受到它与软组织的摩擦力和切割力的共同作用,其受力大小随着插入深度的增加而增加.2.2 软组织力反馈触觉建模及参数辨识由实验结果可知,连续插针过程中,手术刀所受的是轴向弹性力、摩擦力和切割力之和,即f(x)=fs(x)+ff(x)+fc(x)式中：x表示手术针在软组织内的位移；fs(x)表示在组织包膜被刺破前所受的弹性力；ff(x)和fc(x)表示软组织包膜被刺破后受到的摩擦力和切割力[5].本文认为反馈力采集过程为一连续过程,为对连续的动态反馈力建模，本文进行了如下的简化:手术针运动只限制在针体所处的平面内,通常认为手术针非常锋利,所以不考虑垂直切割面的力.令d0<x<d1时,f(x)=fs(x);x>d1时,f(x)=ff(x),由此本文建立了如式(2)的软组织交互过程中力反馈触觉模型(2)假设手术针在d0=11.45 mm处与软组织接触,在d1=20.97 mm处刺破软组织包膜，最终手术针在23.98 mm处穿刺而出，通过最小二乘法对式(2)的模型参数进行辨识,结果如下同时,本文对文献[5]中提出的猪肝受力模型做了适当变换,结果见式(3)(3)用式(3)对本文实验数据进行模型参数辨识,结果如下图5为软组织力反馈触觉模型辨识结果及误差曲线.图中辨识结果1对应于本文提出的模型式(2),辨识结果2对应于文献[5]中的模型变换式(3).由辨识结果可知,本文提出的软组织环境交互过程力反馈触觉模型较准确,手术针在软组织内部运动过程中,与文献[5]中提出的模型相比较,本文提出的模型受力误差的绝对值较小于0.008 N,能更准确地反应手术针的实际受力情况,而且因为模型结构较简单,有更强的适用性.手术针刺破软组织包膜前所受的弹性力和表面摩擦力会由于实验方法的不同,如以不同速度插针、使用不同型号手术针也会对辨识模型的精确度有较大影响,在以后的实验中,将进一步实际测试以验证本文模型的有效性,提高建模的精确度.图5 软组织力反馈触觉模型辨识结果及误差曲线Fig.5 Identification results and error curves of soft tissue hepatic force feedback model3 结论本文针对面向微创手术遥操作机器人系统的软组织作业环境,设计了软组织插针实验的测试系统,通过在线插针实验采集手术针与交互过程中位移和力的变化特性,得出力与位置之间的关系,进而建立生物软组织力反馈触觉模型.使用最小二乘法辨识软组织作业环境的动力学参数,建立了一种非线性的软组织力反馈触觉模型,具有实时性和准确性.该模型可以应用于虚拟手术仿真以及机器人辅助的微创手术系统控制仿真中.参考文献[1] 石锦,曾庆军.网络遥操作机器人系统视频传输及同步技术[J]. 江苏科技大学学报:自然科学版,2007, 21(1):52-55.Shi Jin, Zeng Qingjun. 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Bilateral controllers for teleoperated percutaneous interventions:evaluation andimprovements[C]//USA:American Control Conference Minneapolis, 2006.[6] 章湘明,马念科,杨帆,等.心肌组织力学行为的测试系统[J].清华大学学报：自然科学版，2006, 46(11):1941-1944.Zhang Xiangming, Ma Nianke, Yang Fan, et al. Experimental measurements of the biomechanical properties of cardiac tissues[J]. Journal of Tsinghua University:Natural Science Edition，2006, 46(11):1941-1944.(in Chinese) [7] Okamura A M, Simone C, O’Leary M. Force modeling for needle insertion into soft tissue[J].IEEE Trans On Biome-dical Engineering，2004,10(51):1707-1716.[8] Bzostek A, Kumar R, Diaz L, et al. Force vs. deformation in soft tissue puncture[C]// Submitted for Consideration to MICCAI’:Cambridge, 1999.[9] Maurin B, Bacbe L, Bayle B, et al. In vivo study of forces during needle insertions[J]. Proceedings of Medical Robotics, 2004(3):14-18.[10] Fung Y C. Biomechanics: mechanical properties of living tissues[J]. Springer Verlag, 1993(11):242-251.。

远程操控机器人的技术和应用随着科技的不断发展，机器人技术也越来越成熟。

近年来，远程操控机器人已经成为一个备受关注的领域。

远程操控机器人是指通过远程遥控来操作机器人，将其放置在危险或无法到达的场所进行工作。

本文将探讨远程操控机器人的技术原理和应用场景。

一、技术原理远程操控机器人的技术原理主要包括远程操作、传输和控制三个方面。

1.远程操作远程操作即通过遥控器对机器人进行操控。

一般遥控器由摇杆、按键和滚轮组成，使用者可以通过遥控器来对机器人进行各种操作，比如移动、操作机械臂等。

遥控器可以通过无线电波或者红外线等信息传输方式来实现远程操作。

2.传输机器人需要进行实时传输信号以实现远程操作。

在远程操控机器人时，传输方式先决于控制距离，若在日常居住环境中，则大多为Wi-Fi控制，而若是在野外，则可采用移动通信网络进行信号传输，以便在更远距离实现机器人的控制和操作。

3.控制在远程操控机器人时，控制是关键因素之一。

控制的主要内容为机器人行进路线、人机交互模式、回传信号等。

机器人的控制需要相应的控制器。

根据机器人功能和实际需求制作出的控制器，可以进行遥控操作、自动化控制或语音指令控制。

二、应用场景远程操控机器人可以在很多领域中发挥作用，如环境监测、紧急救援、工业制造等。

1.环境监测远程操控机器人在环境监测中有着广泛的应用。

比如空气质量检测，机器人在城市中进行检测，可以采集空气质量数据，避免环境污染。

另外，机器人还可以用来监测海拔、温度等其他数据。

2.紧急救援远程操控机器人在紧急救援中也可以发挥作用。

在人员不能进入的极端条件下，遥控机器人可以展开搜救，而机器人不但在搜救中具有时间优势，而且能在危险环境中为人类提供安全保障。

3.工业制造远程操控机器人在工业制造领域也有广泛的应用。

比如在电子工厂的自动化生产线上，机器人可以用来完成危险和重复的任务，提高工作效率。

另外，机器人还可以在实验室中被用来进行化学实验、制造小型工具等。

机器人遥操作系统控制技术1. 引言1.1 概述机器人遥操作系统控制技术是近年来快速发展的一项前沿技术，它允许人们通过远程方式对机器人进行操控和控制。

遥操作系统通过传感器技术、控制算法以及实时通讯协议等组成要素，实现了人与机器人之间的无线连接和高效交互。

该技术在各个领域都有广泛应用，如工业制造、医疗保健、教育科研等，为提高生产效率和解决现实问题提供了有效的解决方案。

1.2 文章结构本文将从以下几个方面对机器人遥操作系统控制技术进行阐述。

首先，在第二部分将概述该技术的定义与分类，并回顾其发展历史和主要应用领域。

接着，在第三部分中将详细介绍遥操作系统的组成要素及原理，包括传感器技术、控制算法介绍和实时通讯协议等。

然后，在第四部分将探讨远程操控方法与技术选择，比较直接操控与自主导航的优劣并介绍关键技术选择标准和方法，同时还会讨论物联网在遥操作中的应用。

最后，在第五部分将展望机器人遥操作系统控制技术的未来发展，并探讨人工智能在遥控系统中的应用、自动化水平提高带来的挑战以及全球合作下可能产出的成就。

1.3 目的本文旨在全面介绍机器人遥操作系统控制技术，深入探讨其组成要素和原理，并提供远程操控方法与技术选择的指导。

同时，本文将对该技术未来发展进行展望，指出人工智能在其中的应用方向以及可能面临的挑战，并呼吁全球合作以推动该领域取得更多成果。

通过本文的阐述和分析，读者将对机器人遥操作系统控制技术有更深入、全面的了解，并为相关领域从业者和研究者提供参考和借鉴。

2. 机器人遥操作系统控制技术概述2.1 定义与分类机器人遥操作系统控制技术是指通过远程手动操纵或者自动化程序，对机器人进行操作和控制的一种技术。

根据应用领域的不同，可以将机器人遥操作系统控制技术分为军事、医疗、工业、教育等多个分类。

2.2 发展历史机器人遥操作系统控制技术的发展始于20世纪中期，当时主要应用于军事领域。

随着科技的进步，这项技术逐渐扩展到其他领域。