医疗机器人控制系统的应用与产业化

朱琪

-/先进制造与自动化

医疗机器人控制系统主要应用于微创手术机器人,一种利用工控机、多个可编程多轴控制器、数据采集卡构建的机器人上层控制系统,并进行算法优化,进一步提高机器人响应速度和精准度,实现系统的稳定通讯和实时控制,同时以霍尔传感器为基础,结合电机运动信号的零位确定机器人运动初始位置,提高了系统可靠性,同时大大降低了成本。

本项目拥有自主知识产权,项目规划阶段已经完成总体进度的5%; 项目蓝图设计阶段已经完成总体进度的25% ;项目系统测试阶段已经完成总体进度的60%;项目上线切换阶段截止到目前,该项目已经完成总体进度的85%; 项目总结阶段截止到目前,该项目已经完成总体进度的96%。

    本项目目前需要场地200平米,资金700万左右,已通过权威部门的技术鉴定、环保评价等。本项目能够快速捕捉机相关领域前沿热点,以及领域内的最新研究成果和前沿进展,并能够精准锁定爆款产品。目前已有注册用户36万,具有一定的影响力。

    本项目研发团队核心成员均是留学海外的博士,具有扎实基础理论知识与雄厚的技术研发实力,在国际工业机器人及其零部件行业有多年的从业经验和技术积累,所研发生产的物联网数据采集产品已达到国际一流水平,能为本项目顺利实施提供坚强的技术与管理支撑。

具有腰部自由度四足机器人的控制技术

科技处

-/先进制造与自动化

轮式机器人稳定性好,移动速度快,但是对复杂地形的适应能力较差,轮式以及履带式的移动工具能到达的地方不及地球陆地的一半,而具有腿式结构的动物几乎可以到达地球的任何一个地方;受此启发,腿式机器人得到迅速发展,弥补了地形适应能力差的缺点。腿式机器人中,四足机器人由于其良好的稳定性,较简单的结构以及仿生特点得到了比较好的发展。最常见的四足机器人的结构是每条腿部结构具有3个自由度,包括2个髋关节自由度和1个膝关节自由度,整机共12个自由度,在此结构基础上的改进型结构将具有更良好的性能。
机器人的控制方法决定机器人的性能;常见的仿生机器人的控制方法主要分为基于模型的控制方法以及基于CPG(中枢模式发生器)的控制方法。其中基于模型的控制方法包含基于稳态判据的控制方法,基于弹簧负载倒立摆模型的控制方法,基于虚拟模型的控制方法以及逆动力学方程的方法,具有控制较为精确的优点。CPG方法模仿动物产生节律运动的组织,此方法结构简单,具有很强的鲁棒性和适应能力。对于改进型结构的四足机器人,其控制对象自由度更高,控制起来更加复杂。因此选择合适的方法应用于带有腰部自由度的四足机器人,才能实现其性能较佳的运动效果。
本项目研发了一种具有腰部自由度四足机器人的控制技术,简洁高效易于实现,且控制精度较高,并设计了将控制技术应用于机器人的硬件控制系统。

钎焊及检测装置

科技处

-/先进制造与自动化

钎焊作为重要的连接技术,对于新材料的连接以及复杂精细结构的制造,具有独特的灵活性和优越性,但是传统的钎焊方法主要使用真空钎焊耗能较大,钎焊时间长且钎焊过程不可控,无法对焊接接头的形成过程以及焊接缺陷进行动态分析,真空钎焊和瞬时液相(TLP)扩散焊虽然较传统的钎焊方法有较大的优势,但仍采用真空钎焊炉施焊,无法解决焊接效率低,不能对焊接组织演变实时监测的问题。如何改变现有技术中,钎焊焊接效率低且无法对焊接过程实时监控的现状,是本领域技术人员亟待解决的问题。
该项目研发出一种钎焊及检测装置,包括真空系统、负载系统、温控系统和检测系统,负载系统包括原位载荷机和夹具,夹具设置于真空室的内部,原位载荷机与夹具相连,温控系统包括热像图观测装置、加热模块和冷却模块,加热模块设置于真空室的内部,冷却模块与真空室相连,热像图观测装置设置于真空室的外部,检测系统包括检测装置和控制器,检测装置与控制器相连,真空系统、负载系统和温控系统分别与检测系统相连。本发明实现了钎焊过程中升温、降温速率可调可控,提高工作效率,同时能够实现单次焊接过程各钎焊工艺参数多变量组合效应,对钎焊接头组织结构演变的原位实时检测分析,在焊接结束后对接头性能做出进一步的评价。

原油罐底板腐蚀产物状态的无损检测系统

科技处

-/先进制造与自动化

储罐在长时间沉积原油之后,在罐底部会形成一层沉积的水。储罐底部存在沉积水和外部应力对低碳钢的腐蚀有很大的影响。原油储罐长期暴露在复杂应力及腐蚀环境中,日积月累产生点蚀等微裂纹影响使用。原油经过长时间的沉积,罐底部形成一层沉积水,沉积水中杂质成分对底板的腐蚀有很大的影响。在所有失效模式下,应力腐蚀断裂(Stress Corrosion Cracking,SCC)特别严重且危险。为了确保这些结构的安全可靠性,有必要监测原油储罐的应力腐蚀行为。而应力腐蚀是造成其失效的主要原因,为此要对其损伤状态作出有效的识别,及时、正确地评价C-Mn钢原油储罐的损伤程度,为其安全运行及寿命预测提供依据。
为了实时对在役的原油罐进行腐蚀程序的监督,尽早进行事故预警,本项目设计了一种符合在役原油罐的底板腐蚀情况的无损检测系统。该无损检测系统对原油罐底板的监测分为内部电化学分析,外部声发射分析;复合两者的采集信息对原油储罐的应力腐蚀情况以及损伤位置进行无损判别,从而进行腐蚀损伤的情况判断。本发明系统在不破坏原油储罐的情况下,可以准确得到浸泡在沉积水中的底板的腐蚀产物膜的生成、裂纹萌生以及破裂情况,从而能够判断原油储罐底板的应力腐蚀情况和破坏情况,减少由于应力腐蚀造成的设备、经济损失。

金属腐蚀疲劳裂纹扩展检测装置

科技处

-/先进制造与自动化

试样的裂纹检测是研究腐蚀疲劳的重点,裂纹扩展速率与试样疲劳寿命直接相关,GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》中详细介绍了疲劳裂纹长度的各种测量方法,包括柔度法、电位法等以及裂纹扩展速率的测定方法,这些方法都是借助一定的物理基础,通过公式计算,间接获取疲劳裂纹长度的值,这就导致测量值与实际值之间在一定程度上存在误差。若能通过直接观测、量取疲劳裂纹长度值,则能更加真实的反应材料件的疲劳裂纹扩展情况。
针对模拟船用结构件在海洋环境中服役时发生的腐蚀疲劳问题,该项目设计了一种腐蚀环境装置进行腐蚀疲劳试验,并采用长距离工作显微镜为辅助装置,测量试样疲劳裂纹的长度,并计算其裂纹扩展速率。该装置包括底座与腐蚀介质盛装容器。所述底座下表面设计有疲劳试验机装夹件,用于疲劳试验机下夹头的装夹;底座上表面设计又试样锁定件,用于疲劳试样下端的固定;疲劳试样的上端通过疲劳实验机上夹头夹持。所述腐蚀介质盛装容器为筒状结构,底端固定安装在底座中圆形台面上表面;底座中的试样锁定件位于腐蚀介质盛装容器内。
该项目优势:1. 实现了静置状态下,金属材料在腐蚀介质中腐蚀疲劳性能的测量;2. 设计有透明窗口,可方便观察试验全过程的状态;3. 在长工作距离显微镜的辅助下,本发明用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置及方法,在测试金属材料预制裂纹的扩展速率方面有极大的优势,例如中心裂纹腐蚀疲劳试验与边缘裂纹腐蚀疲劳试验;4. 用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中,底座采用一体化设计,可避免应力集中现象,延长装置的使用寿命;5. 用于测试金属腐蚀疲劳裂纹扩展的装置中,金属片的设计可避免试验过程中疲劳试样发生滑动,同时也方便试样的取换。

伸缩式管道机器人装置

科技处

-/先进制造与自动化

管道机器人属于特种机器人的研究范畴,是一种可在管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械,在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下,进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。目前常见的管道机器人有轮式管道机器人与履带式管道机器人,普遍存在牵引力差、越障能力差,且体积较大,只能适用于大口径管线等问题。此外,由于地下管线往往深埋,铺设环境复杂,目前各类管道机器人所使用的定位技术均有或多或少的缺陷。GPS定位与电磁定位方法无法应用于深埋地下管线中机器人的定位;单一里程计定位误差较大,且不能获得机器人运动的三维姿态;视觉定位方法目前大多处于研究阶段,实际应用中还有诸多问题。此外,上述技术更难以获得被检测地下管线的三维坐标。
针对上述问题,本项目开发出一种新型管道机器人装置,主要面向非开挖技术铺设的各类地下管线,具备双向行走能力、较强的爬坡能力和优异的环境适应能力,并能适应多种不同口径的管道。此外,机器人前端配有CCD摄像头,并配有上位机系统,用户可在上位机实时观察管道内部视频图像。
与现有的管道机器人相比,该项目优势在于:1. 主体结构采用多节模块设计,便于机器人顺利通过弯曲管道;2. 机器人达到IP68的防护等级,能够长时间在地下恶劣的环境中使用;3. 能自动检测锁止机构是否可靠锁止;4. 设计有非接触式的限位控制装置,防止机器人动作超出安全行程;5. 克服现有管道机器人无法准确进行自主定位的缺点,机器人配有惯性导航模块,能对机器人自身姿态和地下管线的三维坐标进行准确定位;6. 机器人与上位机的通讯采用直流载波通讯技术,传输距离远,抗干扰能力强。

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