《连续体机器人设计可实现1微米或更小的运动分辨率!》

  • 来源专题:数控机床与工业机器人
  • 编译者: icad
  • 发布时间:2019-11-21
  • 美国范德比尔特大学工程师设计的一种新型连续体机器人实现了多尺度运动,可能会打开一个以前不可能完成的复杂显微外科手术的巨大世界。

      通过在结构内部添加可以滑入和滑出管状骨架的金属丝(红色),该多骨骼机器人可以增强具有微米级运动能力的微观运动工作空间。就尺度而言,一英寸包含25400微米一个人的红血球大约有8微米宽,与一些细菌的大小相同,并且明显小于人类头发的平均宽度。可以通过直接驱动,推动和拉动它们,连续运动中机器人的配置会发生变化。

    图片来源:范德比尔特大学

      “我们的设计通过使用廉价的执行器来实现1微米或更小的运动分辨率。这种重新配置(以最低的附加成本)可以加速新型外科手术机器人的开发,该机器人既可以进行手术干预的宏观运动,又能进行细胞水平成像或干预的微观运动,并且可以进行微尺度运动。”机械级教授兼高级机器人与机械应用实验室主任Nabil Simaan说。他说:“这极大地扩展了微创手术机器人的功能。”

      微型化和活动范围允许在复杂的动脉瘤,微小的静脉和动脉,神经以及眼睛,内耳和声带的脆弱结构的手术过程中进行精确控制。潜在的应用包括活检,根除肿瘤和在细胞水平上靶向药物递送。

      Simaan和他的团队通过改变机器人的平衡姿势,使他先前的连续体机器人的灵活体系结构适应了宏观和微观的要求,Simaan称其为具有平衡调制或CREM的连续体机器人。

      以前的连续体机器人的灵活体系结构实现了像蠕虫一样的宏操作。机器人被分割成圆盘或圆环,就像worm的身体一样。每个圆盘通过微小的骨架或致动管连接在一起。通过在致动管内添加细小的弹性线并上下移动线,板的静态平衡会发生变化,从而在微米级产生运动。

      范德比尔特外科工程学院的附属机构Simaan表示:“这种新型的机器人将在穿越宏大的弯曲路径到达手术部位的同时提供微精度,潜在的好处包括精确的组织重建和肿瘤的彻底手术根除。”

      该机器人使用管状二级骨架来实现大规模运动。通过推和拉它们,连续机器人的配置发生变化,增加的线路可以滑进和滑出管状骨干,使研究小组能够调整平衡形状。

      此外,目前他们正在进行广泛的测试,以便将光学相干断层成像技术(optical coherence tomography)纳入其中,这是一种有效的“光学超声”,可以从组织内部进行成像反射。

      Simaan和他的同事,机械工程研究生Giuseppe Del Giudice,眼科学和视觉科学的研究助理教授,沉金慧和医师Karen M.Joos,Joseph N.和Barbara H.Ellis家庭眼科学教授已经完成了初步整合定制的OCT探针。

      Joos的特别研究兴趣是将微型OCT探针与机器人手术工具一起使用,以改善眼内手术的可视化。Del Giudice的专长是微连续医疗机器人的设计和控制,尤其是眼科手术的微操纵。

      Simaan说,通过提供显着提高的灵活性,可控制性和精确性给外科医生,甚至甚至开创了以前不可能的程序,扩展微型连续运动机器人在微尺度运动和靶向性方面扩展标准连续体机器人的功能可能会对显微外科手术产生深远影响。

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    • 编译者:husisi
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    • 近日,加州大学伯克利分校(以下简称UC Berkeley)的Ming Wu教授团队开发出一种新型高分辨率激光雷达芯片,该芯片可装载于一系列设备,大到自动驾驶汽车,小到智能手机等。研究人员利用带有MEMS(微电子机械系统)开关的焦平面开关阵列FPSA,这是一种基于半导体的天线矩阵,可以像数码相机中的传感器一样收集光线,并将16384个像素点嵌入在1 cm2大小的芯片上。 基于FPSA的固态激光雷达传感器可以进行三维电子扫描,且不依赖任何笨重的机械零件。遗憾的是,之前报道的传感器分辨率均小于512像素。与固态激光雷达相比,机械激光雷达拥有强大的激光器,能够可视化数百码远的物体(1 码 ≈ 0.9144 米),并且生成高分辨率的3D图像,而如何芯片化这种激光器已困扰了研究人员十余年。 “我们希望有一个非常大的照明区域,但这样牺牲了光线强度,激光无法照射到足够远的地方。”Ming Wu教授说,“因此,为了权衡足够的光强,我们计划减少激光照射区域。” 图1 激光雷达芯片原理图。光学天线与微型MEMS开关连接,并发射出激光。反射光由同一天线接收,并依次打开阵列开关生成3D图像。UC Berkeley的工程师使用MEMS开关显著提高了激光雷达芯片传感器的分辨率 FPSAs使用类似数码相机的光学系统,将视野中的各个角度映射到成像镜头后焦面的像素点上。不同于相机集成在像素点的测距单元不一样,FPSA中的光开关网格允许所有像素共享一个或多个测距单元。由于每个像素点仅由一个光学天线和一个开关组成,大型阵列可以集成在单个芯片上,而实际激光功率由信号通过天线的时间决定。 硅基激光雷达系统通常利用热光开关将激光从一个波导重新定向到另一波导。UC Berkeley团队选择使用MEMS开关,能够在实空间中移动激光雷达系统中波导的位置。 “这种架构非常像高速公路立交桥。”Ming Wu教授说,“想象一下,如果你是一束光,要从东边跑到西边,我们可以人为地改变地面方向,使其逆时针旋转90°,这样你就可以从北边跑到南边。” 除了比热电开关更微型、更节能的优点外,MEMS的开关速度更快,光损耗更低,大规模使用光开关的光通信网络也验证了以上优点。研究人员说,通过调研,他们的团队是在激光雷达中嵌入MEMS开关的第一人。 该团队在10×11 mm2的硅光子芯片上集成了128×128个FPSA的阵列元,一个阵列元包括一个光学天线和MEMS开关(如图2)。在实验中,研究人员利用调频连续波(FMCW)确定物体距离,实现了空间分辨率为1.7 cm的三维成像。 此外,该系统利用焦距为5 mm的复合透镜,在70°×70°的视角场中(人类双眼的水平视野约为120° - 140°),引导激光束随机向16384(128×128)个方向照射,每个像素在视场的分辨率为0.6°。并且该系统将FPSA与FMCW测距相结合,进一步实现3D成像。CMOS(互补金属氧化物半导体)技术已经用于制造计算机处理器,利用CMOS技术设计FPSA,可使像素大小扩展至百万量级。 通过激光在阵列中迅速循环,FPSA构建了环境的3D成像。而若干FPSAs排列成圆环型,使设备360°无死角地观察周围环境。 在该系统商业化生产前,Wu教授团队计划进一步提高FPSA的分辨率和射程:“虽然光学天线很难再缩小,并且微型开关是最大部件,但是我们有信心能把它们做的更小。” 目前,该系统的射程已达到10 m,还有希望继续增加。Wu教授说:“我们确信射程能达到100 m,并且通过我们不断的改进,甚至能够达到300 m。” 图2 激光雷达芯片上光学天线的扫描电子显微镜图像 通过上述改进,加上利用传统CMOS技术批量生产FPSA,降低生产成本,芯片化的激光雷达能够用于各个方面,为自动驾驶汽车、无人机、机器人以及智能手机等提供新一代低成本、节能型3D传感器。此外,需要控制光束的应用也可以考虑FPSA,如自由空间光通信(FSO)和基于离子阱的量子计算。 “看看我们如何使用‘摄像头’。”Wu教授说,“它们被嵌入到交通工具、机器人、吸尘器、监控设备、生物特征识别系统和防盗门上。若我们把激光雷达缩小到智能手机摄像头大小,它将会有更广阔的应用前景。” 近日,Ming Wu教授就任英特尔研究院新成立的集成光电研究中心的研究员,该中心便于英特尔加速数据中心互连。其中,他参与的项目“硅光子晶圆级光包装”将促进集成波导透镜的发展,该透镜有望实现光纤阵列的低损耗和高容差非接触式光学封装。
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    • 编译者:husisi
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