仿人机器人运动规划研究进展

在分析仿人机器人运动规划特性的基础上,对仿人机器人运动规划涉及的路径规划和步态规划两大问题及其典型方法进行了阐述和分析。对基于博弈论思想的离线足迹规划和基于传感信息融合的在线滚动路径规划两种路径规划策略进行了剖析,同时对几何约束法、模糊逻辑法、神经网络法、遗传算法法、自然步态法等5种常用的离线步态规划方法和3类在线姿态调整及控制方法即基于动力学模型的方法、基于倒立摆模型的方法、不基于模型的方法的算法思想和实验应用进行了分析与评价。最后对仿人机器人运动规划评价方法和运动规划研究的发展进行了讨论。

面向仿人机器人自然步态规划的人体步行实验分析

自然步态规划方法是实现仿人机器人步态柔顺和能量优化的可行方法,该方法要求对人体步行及其平衡策略进行定量研究.本文分析自然步态规划方法的原理,建立了一套快捷有效的人体步态测试系统,并通过实验建立了人体步行的参数化数据库.实验结果揭示了人体步行的参数化特征及其平衡策略,对于仿人机器人的自然步态规划及控制提供了理论指导.结论特别指出,仅仅通过规划的方式实现仿人机器人的自然步态是不完备的,自然步态的实现必须同仿生控制策略相结合.同时实验结论对于仿人机器人的本体优化设计也提供了参考.

仿人机器人足迹规划建模及算法实现

足迹规划是仿人机器人运动规划领域的一个新思想.本文建立了仿人机器人足迹规划的模型,并通过构建启发式成本函数,利用A*算法予以实现.针对复杂多障碍物环境,特别提出了基于可变落地足迹数量的复合足迹转换模型的方法.仿真实验证明了规划模型和算法的有效性和完备性,规划效果达到仿人机器人在线运动规划的要求.同时,数值实验也证明了在复杂多障碍物环境下复合足迹转换模型的必要性和优越性.

仿人机器人学研究新动向

第7届IEEE机器人及自动化分会仿人机器人国际会议（IEEE-RAS7th International Conference on Humanoid Robots）由IEEE-RAS举办，并由美国卡内基一梅隆大学机器人研究所（RI-CMU，TheRoboticsInstitute，Carnegie-MellonUniversity）承办，于2007年11月29日-12月1日在美国匹兹堡市召开。笔者应邀参加会议，

无托槽隐形矫治器远移上颌磨牙的疗效评价

目的:评价无托槽隐形矫治器远中移动上颌磨牙的疗效。方法:选取安氏Ⅱ类错患者15例,平均年龄为25.3岁。应用无托槽隐形矫治器远中移动上颌磨牙,通过重叠磨牙远移前后的三维数字化模型,并进行三维测量分析评价其远中移动磨牙的疗效。结果:双侧第一磨牙均平均向远中移动2.58 mm,左右侧第二磨牙分别平均向远中移动2.57 mm和2.68 mm,双侧中切牙均平均向近中移动0.34 mm。双侧中切牙在水平向上无明显移动,左右侧第一磨牙均平均颊向移动0.96 mm和0.97mm,左右侧第二磨牙平均颊向移动1.01 mm和1.11 mm。双侧中切牙无明显伸长或压低,双侧第一磨牙均平均压低0.26 mm,左右侧第二磨牙分别平均压低O.37 mm和0.36 mm。双侧第一磨牙和第二磨牙均无明显颊腭向旋转。结论:无托槽隐形矫治器能有效地远中移动上颌磨牙,但会引起轻微的磨牙压低和前牙支抗丧失。

机器人辅助腹腔介入治疗的空间运动约束及控制策略

描述了机器人辅助腹腔介入治疗中的手术规划模型和虚拟夹具(VF)方法,研究了引导型和障碍型两类虚拟夹具的空间运动约束生成方法以及基于导纳控制的综合控制策略.通过建立引力势场和参考方向实现了对控制对象的引导,通过建立斥力势场实现了空间避障(如腹腔内血管及肋骨),从而为手术器械的运动及定位提供了有效的辅助作用.VF的刚度系数可以调节空间运动约束的苛刻程度.单个VF和腹腔3维空间中多个VF的仿真实验验证了空间运动约束和控制算法的有效性.本文的方法适用于类似的遥操作和人机协作系统.

利用深度去噪自编码器深度学习的指令意图理解方法

提出了一种利用深度去噪自编码器(SDAE)的自然语言指令意图理解方法.根据家庭服务机器人的使用环境和应用场景构建了一个自然语言文本指令语料库,并对语料库中各类指令进行意图标注,从而把文本指令理解问题转化为文本分类问题;在传统的文本向量空间模型的基础上,融合了文本指令的词性信息,定义了一种文本表示模型——词性向量空间模型;将SDAE应用于文本指令意图理解,提取指令的高阶特征;用高斯核支持向量机进行训练和预测,进而实现了自然语言指令的意图理解.在所建语料库上进行多折交叉验证,结果表明指令意图理解平均准确率达到96%以上.

基于Kinect的服务机器人任务操控学习方法的研究

本文围绕中国科学院深圳先进技术研究院认知技术研究中心自行研发的搭载有Kinect传感器的服务机器人操控平台,从Kinect传感器带来的彩色图像、深度图像和真三维点云信息中提取基于图像的2D和基于点云的3D特征,并将它们进行融合,作为待识别物体几何模型归类的依据,为手爪选择合适抓取姿态提供判断准则。同时结合人体示范学习框架(Learning from demonstration,LFD),研究了一种通过提高机器人的认知学习能力来完成人类生活环境中室内日常物品操控任务的方法,如:自行识别门把手的位置并完成开门动作,从橱柜中识别出目标物,抓取目标物体并送到指定目标地点等。最后,我们通过实验验证,该方法能够保证服务机器人成功抓取一些类似圆柱状、长方体等几何形态的物体并能在抓取之后顺利完成与周围环境进行交互过程中的轨迹规划这一复杂任务。

口腔正畸弓丝矫治器自动制备成形中的回弹补偿方法

在传统的口腔正畸临床治疗中,弓丝矫治器主要依赖于正畸医师手工弯制来完成,这不仅要求医师有长时间的训练过程,同时难以达到理想的个性化及精度要求,也增加了患者复诊次数及椅旁等待时间。据此,我们研发机器人系统来实现自动化的正畸弓丝矫治器制备。其中的一个难点问题是,弓丝材料的高弹性引起的回弹现象严重影响了弓丝矫治器的成形精度。因此,提出一种基于过弯预补偿模型和回弹力在线检测的过弯补偿方法,来消除弯制过程中的弓丝回弹现象。该方法首先通过一个自行设计的弯制回弹装置测量回弹前后的角度差,并将回弹后的角度作为目标成形角,以此建立成形角过弯量预补偿模型;然后通过力传感器进行弓丝回弹力在线检测,建立基于零力状态判断的自动弯制控制方法。上述方法在所研发的弓丝弯制机器人系统中进行弯制实验测试。结果表明,它能够最大限度地减小回弹效应,实现满足临床精度要求的正畸弓丝自动弯制成形。

用于手部运动功能康复的纤维强化型并联腔道式软体驱动器设计

为解决当前单一的弯曲/伸展辅助运动的软体康复手套不能提供手部完整的运动动作支持,对脑卒中后肌张力异常导致的手部运动障碍康复效果欠佳,设计了一种新的纤维强化并联腔道式软体驱动器(SPA)结构,该结构能够在三路组合压力驱动下实现三维方向致动,实现对手部伸展/弯曲、外展/内收、对掌/复位及其复合动作的支持。通过对手部基本动作元的分析,设计了新的驱动器结构,利用有限元工具对设计参数进行了验证,并建立了运动学描述模型;给出了新驱动器的制备方法,并对制备的新驱动器进行了加载测试和软体康复手套样机操作测试。测试结果表明,所设计的驱动器能够实现复合运动模式下的多指协同动作,支持手部运动多模式的辅助康复,并显著提升患者手部敏捷交互操作能力。

一种用于可形变对象操作的动力学模型隐式求解方法

机器人操作可形变对象在多类场景中具有重要的应用需求。然而,对象复杂的高维动力学模型导致难以准确、快速地计算其形变。本文建立了一种基于交替方向乘子法的对象形变动力学模型快速、准确、隐式优化求解方法。该方法以通用对象几何模型为输入创建有限元模型,并分别构建材料本构势能函数和操作及碰撞交互单元的位置约束能量函数。随后,采用动力学投影方法构建基于交替方向乘子法的两项优化求解问题,最终快速、准确地计算对象在机器人操作下的形变。数值实验表明,所提出的方法能够在保证相对形变计算误差低于5%的条件下,实现高于24帧/秒的物理形态更新。针对实际应用场景,对所提出的方法开展了从形变仿真预测到在线操作执行的量化评估以及全局约束环境下的离线规划和仿真应用验证。

医疗康复机器人研究进展及趋势

随着人们对医疗健康手段和过程提出的精准、微创、高效及低成本等方面的更高需求,医疗康复机器人技术也获得了各国的极大关注,并得到了日新月异的发展。目前医疗康复机器人主要用于外科手术、功能康复及辅助护理等方面,但随着重要技术的突破和进展,未来机器人技术有可能会应用到医疗健康的各个领域。医疗康复领域越来越倾向于人与机器自然、精准的交互,近年来,以人的智能和机器智能结合及人机交互为代表的技术突破使得人与机器之间的结合越来越紧密,借助人机交互技术和方法,将人的智能和机器智能结合起来,使二者优势互补、协同工作,并将在医疗康复方面孕育出重大的理论创新和技术方法突破。社会需求、技术革新和人机智能融合极大的促进了医疗康复机器人的发展。医疗康复机器人涉及人类生命健康的特殊领域,存在潜在的经济市场,已被多个国家列为战略性新兴产业,我国也需进一步大力开展医疗康复机器人的研发,推动该战略新兴产业的发展,以应对我国国民对健康服务的需求(医疗、康复及老龄化)。

基于口腔计算机断层扫描图像与激光扫描图像融合的牙齿三维模型重构

完整牙齿三维模型为正畸医师进行错颌畸形诊断、治疗方案规划提供了必要的辅助信息。目前,牙齿三维模型主要通过口腔计算机断层扫描(CT)图像分割与重构得到。然而,利用CT图像重构的模型精度较低,不适用于无托槽隐形矫治器的辅助设计;另一方面,在正畸治疗的不同周期对患者进行重复口腔CT扫描会给患者带来辐射伤害。为此,本文提出基于口腔CT图像与激光扫描图像融合重构牙齿三维模型的方法。该方法利用口腔CT图像重构的牙根与激光扫描图像重构的牙冠经配准融合后建立完整的牙齿三维模型,所建立的模型牙冠部位精度更高。同时,该方法只需在正畸治疗前对患者进行一次口腔CT扫描,在治疗过程中进行激光扫描即可得到患者各治疗周期完整的牙列模型,从而通过减少CT扫描次数降低给患者带来的辐射伤害。

利用Kinect的人体动作视觉感知算法

提出了一种面向类人机器人的人体动作视觉感知算法,提高了利用Kinect作为视觉输入设备捕捉到的人体动作数据的精度.首先,通过逆运动学方程将捕捉到的关节位移信息转换成角度信息.然后,以角速度和角加速度的变化为依据,将长时间的运动自动分割成独立片段,并用相关向量机原理估计出高精度的角度轨迹.最后,用角度轨迹的空间相似性、时间相似性、平滑度等指标对该算法进行了评估,并在NAO机器人平台上对算法处理后的动作进行了实验验证.实验结果表明,该算法有效提高了动作感知的时空相似性和轨迹平滑度,为高精度的动作模仿奠定了基础.

医疗机器人技术研究展望

医疗机器人的高速发展来源于需求与技术的共同促进.一方面,社会的进步和发展对健康服务提出更高、更广泛的需求;另一方面,医学、计算机科学、自动化、先进制造等学科的发展和高度融合催生出大量革新技术.医疗机器人创新技术和系统的不断涌现,正持续地改变着临床诊疗过程,并逐渐形成具有巨大前景的新兴产业.

一种用于刚软混杂机器人仿真的耦合模型

针对已有的机器人仿真平台无法直接用于刚软混杂机器人仿真的问题,提出了一种用于刚软混杂机器人仿真的刚软耦合模型.该模型通过一个中间过渡层将现有的刚体机器人仿真平台和软体机器人仿真平台的底层物理模型耦合起来,使得现有的2类仿真平台可以在同一架构下完成刚软混杂机器人的仿真.在机器人操作系统下,采用Gazebo和SOFA仿真平台开发了基于刚软耦合模型的刚软混杂机器人仿真系统.通过单个软体气动执行器弯曲过程的仿真与样机对比实验以及刚软混杂机器人多物体抓取仿真实验验证了所提出的耦合模型用于刚软混杂机器人仿真的有效性.

考虑软组织形变的实时无参考超声图像综合评估方法

超声引导的经皮介入治疗已在临床中得到了广泛应用。针对机器人辅助的超声引导治疗中探头接触力引起软组织形变的问题,提出一种考虑软组织形变的实时无参考超声图像综合评估方法。所提方法在超声图像亮度和锐度评估的基础上,融合组织或腺体的聚集特性设计了一种多维度的超声图像评价指标。为了验证所提方法的有效性,分别采集前列腺体模、内置囊肿的体模、猪肝脏组织,以及内置囊肿的猪肝脏组织4种不同模型的超声图像进行实验测试与分析,并基于斯皮尔曼秩相关系数分析了主客观评价的相关性。实验结果表明单幅图像的平均评估时间为68.8 ms,满足实时应用的需要。本文所提方法实现了机器人辅助治疗中实时超声图像的有效评估,并且评估结果与主观评价具有良好的一致性。

精准口腔正畸诊疗机器人

基于机器人学、生物力学及口腔正畸学等多学科交叉的精准口腔正畸诊疗机器人，将从多个方面提高正畸治疗效果、降低综合治疗成本，从而推动临床口腔正畸诊疗从经验模式提升到精准模式，最终实现在合理的时间内给予患者个性化、可预测的口腔正畸治疗。