骨科手术机器人的研究进展及发展展望

介绍了国内外关节骨科手术机器人、脊柱外科手术机器人和创伤骨科手术机器人的研究进展,阐述了骨科手术机器人在精确度、稳定性、并发症发生率等方面具有的优势,分析了骨科手术机器人存在体积庞大、成本昂贵、用途单一、缺少感觉反馈系统、智能化程度低等不足,指出了多功能化、普及化、远程化、精准和微创化、智能化和人机交互全面化是未来骨科手术机器人的发展趋势。

基于UKF的六维力传感器重力补偿算法研究

为解决人机交互中六维力传感器受末端重力影响导致示数不准确的问题,提出一种基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法的六维力传感器误差校正方法。通过对传感器数据进行处理和估计,实现对传感器误差的准确估计和修正,从而将传感器误差降至0~0.227 N之间。实验结果表明:该方法可以显著提高六维力传感器的测量精度,为人机交互中的精准力控制提供了可靠的技术支持。

人机合作机器人重力平衡设计

为提高人-机器人合作的质量，研究了机器人机构的重力平衡方法，以减小其带给操作者的重力感受．对于关节式机器人结构，采用拉弹簧的方式对机器人重力进行较大范围的平衡；通过对弹簧刚度和预变形的设计，使得随着机构的运动，弹簧系统可以适当调节弹簧力以实现机构在各种位形下重力的自主平衡．在机器人运动范围内的若干点对设计方案进行了验证，各关节的残余重力矩是原始重力矩的1～10％．结果说明，该设计可以基本实现重力平衡．

基于磁定位器的手动三维超声图像标定

与二维超声相比,三维超声图像可以提供更多更详细的位置信息,有利于定位精度的提高。在基于磁定位器的手动三维超声成像中,可以直接获得各幅图像所对应的磁定位接收器位置和姿态,仍然需要做进一步的标定才能得到各幅图像在世界坐标系的位置。标定目标是获得磁定位接收器与超声图像之间确定的位置姿态关系。为此,设计制作了一种N形线模板,将其斜置于水槽中,从不同的位置和角度扫描该模板,每幅图像上将有3个亮点,以"N"斜线上的点作为特征点,采用最小二乘法进行标定计算,获得了磁定位接受器与超声图像之间的位姿关系。实验证明该标定方法简单易行,标定精度满足超声引导的需求,为进一步三维重构奠定了基础。

机器人辅助手术导航系统的空间映射方法

手术辅助定位机器人应易于操作,以提高手术的效率和有利于手术方式的推广。在机器人基座、小臂及末端安装3个磁定位接收器来采集机器人运动状态,辅助完成导航系统的目标规划和空间映射。基座上的接收器提供整个导航系统的统一坐标基准;小臂上的接收器实时给出机器人腕点位置;末端的接收器实时给出机器人末端的位置和姿态。基于这种布置方式,给出了腕点位置的规划方法和整个导航过程的映射算法。基于磁定位器的映射方法可以应用到多种手术导航或虚拟现实的运动跟踪中。

单自由度力觉交互系统建模与分析

为提高力觉交互系统性能 ,需要通过建模和分析来了解各参数对系统性能的影响 .对单自由度力觉交互系统 ,假设虚拟环境为被动 ,将操作者对系统影响分为主动输入和被动阻抗 ,建立了包括操作者在内的力觉交互系统模型 ;通过双端口网络理论的应用 ,就系统对刚度阻尼组合虚拟环境的稳定性进行了分析 ,给出了系统稳定条件的一般判定准则 ,并由此分析了传动刚度对系统稳定性的影响 .该方法可以用于对力觉交互系统的性能评估和设计指导 .

机器人机构的反向可驱动性设计

为提高机器人与人合作或交互的质量,减少机构自身的重力、惯性等带给使用者的不舒适体验,研究机构的参数设计方法,以一种2自由度虚拟样机为例,综合考虑运动学与动力学各向同性,以操作空间使用者需要克服的最大惯性来衡量机构的反向可驱动性,分析机构参数对系统性能的影响。以运动学各向同性为指标,给出运动学参数设计标准。建立机构的动力学模型,考虑机构的重力平衡、反向可驱动性和动力学各向同性,给出各指标的影响因素。最后对一组特定参数进行校核和分析,并给出具体指标数据。该机构在工作空间中部具有好的各向同性,有部分重力未得到平衡,等效质量在工作空间中部很小,外侧稍大。根据改进设计建议,合理调节机构质量分布和关节杆长可有效提高系统性能。研究结果可以推广到各种以反向可驱动性为重要指标的机器人机构参数设计与校核。

虚拟匹配单元对力觉交互系统性能影响分析

讨论虚拟现实力觉交互系统中 ,阻抗再现方式下虚拟匹配单元对系统稳定性和透明性的影响 .对不同的虚拟环境 ,根据弹簧单元和阻尼单元的不同物理性质 ,将其与虚拟环境串联或并联 ,作为连接操作端与虚拟端的双端口系统 ;对于单自由度力觉交互系统 ,当虚拟环境驱动点为弹簧元素时 ,以串联弹簧单元和串联阻尼单元为例 ,通过对附加虚拟匹配单元后的系统性能评价 ,及与原系统的比较 ,分析了虚拟匹配单元对系统性能尤其是稳定性的影响 ,仿真和分析结果吻合较好 .在力觉交互控制系统设计中 。

机电系统的智能控制技术

智能控制系统的组织结构体现了“智能递增，精度递减”的原理，其协调层次越高，所体现的智能也越高。

纯质量虚拟环境下力觉交互稳定性研究

讨论了纯质量虚拟环境下,单自由度力觉交互系统在导纳再现方式下虚拟质量的稳定范围及其影响因素。假设虚拟环境为被动,操作者在系统中的作用分为被动部分和主动部分,通过电网络与力觉交互机电系统的等效和双端口网络绝对稳定理论的应用,就纯质量虚拟环境下系统的稳定性进行了分析,评价了系统参数对系统稳定范围的影响。该方法和结论可以用于对力觉交互系统导纳再现方式下的性能评估和设计指导。

颅缝早闭手术中颅骨切割方案生成方法

为实现颅缝早闭手术方案制定的规范化,提出一种结合深度学习、立体视觉和点云处理技术的颅骨切割轨迹生成方法,用于建立切割方案模板库和生成新的病例切割方案。该方法将深度学习应用于颅骨外表面的实例分割中,利用Mask R-CNN对手术区域进行检测和分割,利用简化轮廓提取算法提取切割轨迹,并结合点云处理技术将切割轨迹坐标进行2D-3D映射,实现切割轨迹自动化提取;在此基础上建立典型病例模板库,通过模板匹配方法自动生成新病例的切割方案。实验证明:该轨迹提取方法可以准确高效地检测出颅骨切割轨迹,并将轨迹坐标进行3D映射,点云深度测量误差小于3 mm,达到临床可用标准;模板匹配方法也有效生成新病例的切割轨迹,符合资深医生的手术方案。

基于动力学模型的轮式移动机器人电机控制

针对移动机器人两路电机协同控制问题,提出基于动力学模型的轮式移动机器人电机控制律(DMMC).首先推导出质心位置不一定在几何中心的移动机器人运动学模型和动力学模型,并求解出两轮速度与力矩之间的非线性微分方程.然后,基于两轮速度与力矩间非线性微分方程、电机电气方程和电机机电方程,推导出移动机器人系统状态方程.最后采用极点配置得到I型状态反馈控制律.仿真显示,DMMC法实现了对输入指令的零稳态误差快速响应.

基于显著图的SIFT特征检测与匹配

基于尺度不变特征变换(SIFT)特征的图像匹配存在特征点数量大、运算时间长等问题。为此,引入视觉注意机制,提出一种基于显著图的SIFT特征检测与匹配方法。比较常用的显著图计算模型,选择谱残差方法提取图片的显著图。对显著图进行二值化和形态学等处理,得到规则合理的显著区域。在显著区域内提取SIFT特征,生成特征向量,进行图像匹配。实验结果表明,该方法能提高运算效率,并且得到的SIFT特征更加稳定。

基于模糊控制器的未知环境下移动机器人导航

研究机器人导航控制优化难题时,为实现未知环境中移动机器人自主导航并解决反应式导航策略中存在的局部陷阱问题,提出一种局部路径规划与目标切换相结合的导航方法。首先分析了移动机器人动力学模型,应用模糊推理构建反应式模糊控制器实现局部路径规划,并提出一种改进的目标切换方式,以机器人与目标相对方向的变化作为陷阱区域判断条件,当检测到陷阱情况时,引入合理的虚拟子目标,面向运动,直到脱离陷阱状态并恢复实际目标。方法可有效驱动机器人在复杂未知环境下以合理的路径脱离陷阱区域到达目标。仿真结果验证了方法的可行性和有效性,为应用于实际系统提供了可靠依据。

自适应带宽均值移动算法及目标跟踪

首先提出了一种经典均值移动算法的推广算法,即自适应带宽均值移动算法,进而提出了基于自适应带宽均值移动的二维视频目标跟踪算法(ABMSOT).前者提出了在带宽自适应情况下均值移动算法求取局部极值的框架步骤,后者可实时跟踪目标的位置、大小和方向.在ABMSOT算法中,目标模型和候选模型采用自适应带宽核函数加权特征直方图描述,目标模型和候选模型的相似性采用Bhattacharyya系数度量;通过迭代两步法搜索到目标最有可能的位置、大小和方向.第一步执行一次均值移动迭代搜索目标位置,第二步计算出最能描述目标区域大小和方向的带宽矩阵.从理论上证明了两个算法的收敛性,并通过实验证明了ABMSOT算法能实时跟踪目标的位置、大小和方向.

转向盘式六足机器人设计及全方位运动控制

基于转向盘的全方位步行机器人综合了腿式机器人与车辆方向盘的结构特征,为了对其运动性能及运动控制进行系统研究,介绍了该机器人的设计思想、机构特色及运动原理.建立了该机器人的等效操作臂模型,给出操作臂的雅克比矩阵,推导出操作臂在关节空间和笛卡尔空间下的动力学方程,以此给出了转向系统的非线性闭环控制模型.基于Adams与Matlab/Simulink对机器人全方位运动进行了PID联合控制仿真,并对样机模型进行了实验研究.结果表明:转向盘式步行机器人在全方位运动控制方面灵活性好,方向精度高,控制简单可靠.

一种新的基于椭圆模型的鲁棒估计方法

提出一种在数字图像中估计椭圆模型参数的鲁棒方法。该方法采用自下而上的思路,结合RANSAC(Random sample consensus)算法,先将图像中的样本分割成具有类内结构相似性的子类群,再依据类间拟合相似性将子类合并,最后在完成聚合的类中估计出模型参数。该方法的优势在于无约束性,不需要先验条件,可以在模型的数量、尺度等信息未知的情况下进行参数估计,并有效抑制离群数据影响。实验结果表明,该方法估计精度较高,鲁棒性能良好。

DSP运动控制器的多电源电压信号融合技术

随着半导体技术的不断发展,功能复杂的高性能智能控制装备包括DSP运动控制器的设计实现面临各种电源电压水平信号的融合问题,合理处理不同电压水平信号的连接转换成为实现智能控制装备的关键技术之一。本文介绍了多电源电压水平信号融合的原理和方法,并依据这些原理、方法,在基于DSP的运动控制器中进行了具体的设计实现。

基于Android系统的多传感器移动体感应用

研究了多传感器技术在Android移动设备上的应用,提出了基于Android传感器应用的实现方法,使用户与设备发生更为直观的操作和交互.本文首先介绍了开发环境搭建,利用Android程序框架实现此应用程序,JNI(Java Native Interface)调用数据融合相关函数的步骤,以及采用Android NDK(Native Development Kit)生成共享库的过程.然后阐述了利用Android传感器和动态调用数据融合算法获得数据开发指南针,水平仪,动态立方体的方法;最后描述了开发的MFC服务器端软件通过Socket进行实时位置坐标数据的传送和绘制轨迹信息的功能.实验结果表明,该系统实现了所需展示的性能和应用功能,并可扩展到移动设备的其他应用程序中.

嵌入式移动机器人红外路标定位模块研究

针对室内环境移动机器人的自定位问题,提出一种嵌入式移动机器人红外路标定位模块。采用基于单应矩阵的初始标定算法和相机初始标定方法,补偿由于实际使用中的安装误差所引起的定位偏差。实验结果表明,该模块易于嵌入式系统实现,定位模块位置精度可达厘米级别,角度定位精度小于6°。