骨科机器人联合Starr骨盆复位架治疗Tile C型骨盆环骨折

目的:探讨骨科机器人联合Starr骨盆复位架治疗Tile C型骨盆环骨折的临床疗效。方法:2019年10月至2021年5月采用机器人联合Starr骨盆复位架治疗14例Tile C型骨盆环骨折患者,男9例,女5例;年龄33~69岁。14例患者均为新鲜闭合骨折且不合并股骨、胫腓骨骨折等损伤。入院后4~7 d完成手术,术中在可透视碳素床,通过Starr骨盆复位架牵引复位骨盆环,联合骨科机器人治疗C型骨盆环骨折。观察手术时间、出血量、单枚螺钉置入透视次数、骨折复位质量、患肢功能及并发症等。采用Matta评分标准进行放射学复位评价,末次随访采用Majeed骨盆功能评分系统进行临床疗效评价。结果:14例患者均顺利完成手术,手术时间84~141 min,手术出血量20~50 ml,单枚螺钉置入透视次数4~9次。14例患者均获得随访,随访时间12~24个月。术后所有骨折获得骨性愈合,愈合时间3~7个月,未发现内固定断裂、螺钉松动、感染、神经损伤等并发症。依据Matta影像学复位评估标准:优9例,良4例,可1例。末次随访采用Majeed骨盆功能评分系统:优10例,良4例。结论:机器人联合Starr骨盆复位架治疗C型骨盆环新鲜骨折操作简单、缩短了手术和麻醉时间、并发症少,降低了手术风险,实现了骨盆骨折的微创治疗。但对于陈旧性骨折,因骨折复位困难,该技术并不适用。对于螺钉进钉点区域粉碎的骨折,通道螺钉置入困难,建议采用其他方式固定。对于伴有骨盆外伤史或骨盆发育异常者,术前需仔细评估有无经皮螺钉通道,避免损伤神经、血管。

机器人人工拣选环境下混流装配线齐套物料配送优化

为了提高汽车制造企业配送的智能化水平、解决混流装配线齐套物料人工拣选效率低、成本高的问题,引入基于齐套物料配送策略的机器人人工拣选模式,通过优化自动拣选机器人、工人的配置数量及配送周期,使包含机器人使用成本、劳动力成本和在制品库存成本在内的总成本最小。为求解该配送优化问题,提出了改进量子蚁群算法,利用量子比特的叠加性增加种群多样性,避免算法陷入局部最优,同时设计了改进量子旋转门更新机制和基于差分进化操作的非最优个体优化策略,提高了算法收敛速度和寻优质量。最后,通过算例分析验证了模型的正确性与算法的有效性,并分析了拣选批量对总成本的影响。

跟踪算法下的果树修剪机器人路径规划设计

以果树修剪机器人为研究对象,基于轨迹跟踪算法对修剪机器人进行作业路径规划,并分别与传统的往复式路径规划算法和跟踪算法进行仿真对比实验分析。分析结果表明:与传统往复式路径规划算法相比,修剪机器人作业过程中漏剪率降低3%,重复率降低2.5%;与传统跟踪式路径规划算法相比,修剪机器人作业过程转角范围增大36°,横向轨迹误差降低600mm。

带仿生躯干的被动行走机器人步态特性

为改善被动行走机器人的步态特性,受人体躯干同时具有刚性骨骼和柔性软组织启发,提出一种带刚柔仿生躯干的被动行走机器人模型,并研究其非线性动力学特性.将仿生躯干柔性部分等效为带质量的弹簧阻尼器,建立仿生躯干被动行走机器人的动力学模型.分别分析仿生躯干的等效弹性系数、等效阻尼系数、等效质量对被动行走机器人的行走步长和步行速度的影响规律,并与刚性躯干模型的结果进行对比.研究结果表明:相比于刚体躯干,仿生躯干使得被动行走具有更加丰富的步态行为;仿生躯干柔性不仅影响被动行走的行走步长及行走速度,还影响被动行走的稳定性;适当的躯干柔性可以在维持稳定周期步态的同时,提高被动行走机器人的行走步长及步行速度;与刚性躯干相比,带仿生躯干的被动行走步长能提高12%,行走速度能提高2%.

手术机器人在妇科恶性肿瘤手术中的临床应用分析

目的:分析探讨机器人辅助下妇科恶性肿瘤手术的安全性、可行性及临床价值。方法:回顾性总结吉林省肿瘤医院2014年10月—2020年3月实施的213例达芬奇机器人妇科恶性肿瘤手术病例,其中宫颈癌122例,子宫内膜癌89例,卵巢癌(补充手术)1例,阴道癌1例。分析患者的临床资料、手术情况及治疗效果,并对手术时间、术中失血量、术后肠道功能恢复时间、膀胱功能恢复时间、腹部切口愈合时间、淋巴结切除数目、术后并发症发生情况(出血、感染、尿潴留、肠梗阻、下肢静脉血栓等)、总住院时间、至少1年的随访结果等指标进行评估。结果:213例手术均顺利完成,无中转开腹或更改术式。无术中并发症(如重要血管大出血,膀胱、输尿管、肠道损伤等)发生。术后出现双侧淋巴囊肿4例,单侧淋巴囊肿10例,其中1例淋巴囊肿感染,经超声穿刺、抗感染后好转,其余经对症处置后减轻;单侧下肢肌间静脉血栓1例,经溶栓治疗后好转;尿潴留1例,经膀胱功能锻炼后导尿管顺利拔出;阴道断端愈合差1例,经阴道消毒、上药后愈合良好。术后规范治疗,随访时间为12~52个月,其中1例宫颈高级别神经内分泌癌患者于术后13个月发生肺转移、锁骨上淋巴结转移,于术后25个月死亡;1例阴道癌患者于治疗结束31个月后复发,后放弃治疗失访;1例卵巢癌补充根治术患者于术后17个月复发,后放弃治疗并死亡。结论:达芬奇机器人手术系统应用于妇科恶性肿瘤手术安全、可行,其微创优势明显,患者创伤小、出血少、恢复快,手术安全性高,具有临床应用价值,值得临床推广。

基于模糊控制的上肢康复机器人变导纳控制

传统固定参数的导纳模型无法对上肢康复机器人的柔顺性实时调节,而现有变参数导纳模型需要结合实际康复需求进行改善。为此,以自主研发的串并混联的末端牵引式上肢康复机器人为研究对象,结合模糊控制与导纳控制,提出了一种面向实际康复需求的新型变导纳控制策略,制定了4条有利于康复效率与安全的模糊规则。该策略利用交互力误差及其变化率作为模糊控制输入,实时改变导纳模型的参数,实现柔顺性自主调节。仿真和实验结果验证了所提出的变导纳模型控制策略可行性和所制定的4条模糊规则的有效性。在患者可适应训练强度的场景中,相较于固定导纳模型,变导纳模型追踪给定路径时产生的冗余路径最多可降低56.13%,提高了康复训练效率;当康复运动超出患者可承受范围时,变导纳模型可提前0.5 s改变追踪路径,提高了康复的安全性。

基于IMU-LiDAR紧耦合的煤矿防冲钻孔机器人定位导航方法

防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备,其在复杂卸压巷道的精确地图构建和的稳定导航是实现钻孔作业智能化的基础和前提。在分析激光雷达点云畸变成因和同步定位与地图构建(SLAM)算法缺陷的基础上,设计了基于惯性测量单元(IMU)连续时间轨迹的点云畸变矫正方法,建立了激光雷达和IMU的数据融合模型,提出了基于IMU-LiDAR紧耦合的防冲钻孔机器人定位建图方法。根据煤矿卸压巷道特点建立了密闭坡道模型,开展了建图效果仿真分析,结果表明,所提算法在定位精度、轨迹误差方面均优于现有常用算法。在此基础上,设计了基于改进人工势场法和快速扩展随机树的动态路径规划方法,建立了适用于防冲钻孔机器人的路径规划与导航融合方案,并设计了2种仿真运动场景,结果表明,所提路径规划方法在全局路径规划和动态路径规划的平均路径长度、平均运行时间、平均生成节点数等方面均具有较好的综合性能。为了进一步验证防冲钻孔机器人定位导航方法的实用性,在校内模拟巷道、地面实验基地和井下卸压巷道等场景下开展了多组对比实验,结果表明:将IMU数据与LiDAR数据紧耦合后,所提方法的定位建图精度明显提高,在特征退化场景中具有优越的定位建图性能,且规划路径的运算效率和路径代价方面均具有良好的表现,验证了所提定位导航方法在多种场景中的可行性和优越性。

煤矿井下掘进机器人路径规划方法研究

针对煤矿非全断面巷道条件下掘进机器人移机难度大、效率低下等问题,分析了煤矿井下非结构化环境特征及掘进机器人运动特性,提出了基于深度强化学习的掘进机器人机身路径规划方法。利用深度相机将巷道环境实时重建,在虚拟环境中建立掘进机器人与巷道环境的碰撞检测模型,并使用层次包围盒法进行虚拟环境碰撞检测,形成巷道边界受限下的避障策略。考虑到掘进机器人形体大小且路径规划过程目标单一,在传统SAC算法的基础上引入后见经验回放技术,提出HER-SAC算法,该算法通过环境初始目标得到的轨迹扩展目标子集,以增加训练样本、提高训练速度。在此基础上,基于奖惩机制建立智能体,根据掘进机器人运动特性定义其状态空间与动作空间,在同一场景下分别使用3种算法对智能体进行训练,综合平均奖励值、最高奖励值、达到最高奖励值的步数以及鲁棒性4项性能指标进行对比分析。为进一步验证所提方法的可靠性,采用虚实结合的方式,通过调整目标位置设置2种实验场景进行掘进机器人的路径规划,并将传统SAC算法和HER-SAC算法的路径结果进行对比。结果表明:相较于PPO算法和SAC算法,HER-SAC算法收敛速度更快、综合性能达到最优;在2种实验场景下,HER-SAC算法相比传统SAC算法规划出的路径更加平滑、路径长度更短、路径终点与目标位置的误差在3.53 cm以内,能够有效地完成移机路径规划任务。该方法为煤矿掘进机器人的自主移机控制奠定了理论基础,为煤矿掘进设备自动化提供了新方法。

采摘机器人的路径规划系统动态性优化研究

为进一步改善采摘机器人的工作性能,提出以动态调控为主导的理念,针对整机的路径规划系统展开优化研究。以当前果园采摘机器人的通用性结构组成为前提,将云平台数据处理与路径规划核心算法有效融合后搭建动态控制模型,分别针对路径规划系统的硬件配置与软件控制进行合理设计,得到可应用于采摘实践且布局完整的路径规划系统。展开动态性优化下的采摘作业试验,结果表明:优化后采摘机器人路径规划系统的整体路径搜索率与路径平滑性得到明显提升,相对提升度分别为10.93%和9.71%,路径偏离率相对降低了50%左右,很好地优化了机器人的避障能力,满足系统稳定性需求,具有较高的实用价值。

虚拟现实场景下的精准化采摘机器人作业研究

利用虚拟现实场景仿真技术,对葡萄采摘机器人的精准作业控制过程进行分析,通过构建虚拟现实环境下葡萄采摘机器人作业场景模型,以机器人采摘运动柔顺、无碰撞和不损伤采摘对象为目标,对采摘作业过程的夹紧、托举以及剪切动作进行虚拟仿真。虚拟现实场景下20次采摘动作仿真结果中,有3次采摘发生碰撞、17次采摘成功。这表明,在设计阶段利用虚拟现实场景进行精准化作业仿真和控制算法测试,能够有效缩短采摘机器人研制过程中的调试和优化时间。

智能助产术教学法——以“智能苏格拉底会话机器人”教学实践为例

当前,生成式人工智能与学生的人机会话主要是“知识讲述”型会话关系,这会影响学生的高阶思维能力发展。解决这一问题的关键是,如何将人机“知识讲述”型会话关系,转变为“知识转化”型会话关系。为此,研究者以助产术理论、ChatGPT、学习分析和腾讯QQ工具为基础,探索智能助产术教学法的学习发生机制,开发智能苏格拉底会话机器人,构建智能助产术教学模式。本研究采用准实验方法,以“远程教育学”课程为教学内容,以教育技术学专业本科生为对象,开展以智能会话机器人支持的教学实验。实验结果表明,智能助产术教学与直接使用ChatGPT的教学相比,能显著提升学生的问题解决能力、创新能力和协作学习能力,但是对学习绩效、批判性思维能力和自我效能感的影响不显著。为提高教学效果,研究者需提升计算机的系统算力,开发批判性思维学习支架,构建人机适切性互动机制,研制自我效能感提升策略。

煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题,总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状,指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此,凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题,设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型,引入多层特征融合优化的FasterRCNN,构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型,以实现卸压孔位的准确快速识别;针对钻具姿态精确感知问题,提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始对准方法,设计了多个IMU的空间阵列布局方式,研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法,旨在提高钻具姿态的解算精度,实现精准钻孔卸压;针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题,搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构,探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理,研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程;针对钻进系统运行状态识别问题,构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构,提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术,构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型,实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测;针对钻进系统的精确控制问题,分析了钻进系统的液压系统工作原理,构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案,探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理,旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。

香蕉采摘与吊运作业机器人运动与动力性能分析

由于香蕉果串的结果高度和果形尺寸较大,且采摘过程极易发生损伤,给其采摘带来极高难度,目前仍停留在比较落后的人工采摘方式上,劳动强度大。为此,提出了一种香蕉采摘与吊运作业机器人,可将香蕉果柄的切割、夹持和香蕉果串的吊放作业整体性完成,其机械系统主要由伺服连杆机械臂、夹持与切割末端执行器和液压履带行走动力单元等部分组成。工作时,末端执行器夹持与切割香蕉果柄的直径范围为40~150mm,液压履带车行走的最大行走速度为1.07m/s。通过基于ADAMS的机械系统运动和动力学仿真分析获得了伺服连杆机械臂的作业范围,以香蕉按照宽窄行宜机化种植模式为基础,对接近实际情况的伺服驱动作业流程进行了仿真研究,验证了各伺服电机的驱动能力。

六自由度上肢康复机器人机构设计及轨迹规划

本研究设计一款六自由度上肢康复机器人,机器人采用绳索驱动、串并联相结合的关节结构形式,能够牵引偏瘫患者的上肢实现多个关节且活动范围较大的康复运动训练。针对上肢康复机器人机构适用性问题,基于运动学理论和D-H坐标系法建立上肢康复机器人本体D-H参数模型,根据空间坐标向量之间的平移、旋转关系,对运动序列建模分析,求解正运动学,通过封闭解法求解逆运动学。基于运动学分析结果,提出五次多项式函数关节空间轨迹规划方法,对上肢提拉抬肘运动进行轨迹规划仿真,验证了康复运动过程中的运动能力。

国产手术机器人辅助下腮腺肿瘤切除1例

机器人手术被誉为外科学领域的“第三次技术革命”,是现代外科学发展的重要里程碑。然而我国创新型手术机器人产业尚处于起步阶段,仅用于部分外科领域。为了探讨国产手术机器人在口腔颌面外科应用的有效性,笔者在国产自主手术机器人辅助下顺利完成腮腺良性肿瘤切除1例,手术顺利,面神经功能保存完好,术后创口愈合良好。

采摘机器人机械臂运动控制与目标抓取研究——基于嵌入式和机器视觉技术

首先,从整体方案、视觉定位系统和运动控制系统完成了对采摘机器人机械臂控制系统的设计;然后,基于图像处理技术设计了目标物体识别与抓取策略;最后,基于RRT算法研究了对采摘机器臂运动轨迹的控制方法,实现了对采摘机器人机械臂运动控制与目标抓取系统。采摘试验结果表明:系统对苹果的识别和定位准确度比较高,采摘成功率达到了100%,对采摘机器人自主采摘的实现具有一定的现实意义。

气动肌肉驱动的上肢康复机器人动力学仿真

针对目前外骨骼机器人本体结构复杂,人机交互安全性不高的问题,结合驱动系统中气动人工肌肉的轻质、大驱动力、高柔顺性和接近人体肌肉的特性,提出一种基于气动肌肉的外骨骼上肢康复机器人。采用蒙特卡罗方法获得机器人的安全工作空间,并基于拉格朗日方程对外骨骼上肢康复机器人进行动力学建模,通过MATLAB软件对上肢康复机器人动力学特性仿真。

基于生成式人工智能技术的对话机器人能促进在线协作学习绩效吗?

近年来,人工智能技术迅猛发展,对教育教学产生了巨大的冲击和影响,最引人注目的是基于生成式人工智能技术的对话机器人的兴起。为进一步提高在线协作学习绩效,研究旨在检验基于生成式人工智能技术的对话机器人对在线协作学习绩效、批判性思维意识及其知识激活量和贡献度的影响。研究邀请大学生参与在线协作学习,综合采用定量和定性相结合的研究方法,深度分析对话机器人的影响。研究结果表明,基于生成式人工智能技术的对话机器人不仅在其知识激活量、贡献度方面明显优于传统媒体,而且也能够显著提升在线协作学习绩效和批判性思维意识。文章深入分析和讨论了研究结果,并提出若干启示和建议。

盘刷式光伏清扫机器人结构与驱动设计研究

针对光伏电站中运维使用的清扫机器人轻量化设计问题,提出一种盘刷式光伏清扫机器人结构并设计驱动系统。首先,在现有轮式机器人基础上,将盘刷与机器人驱动轮集成为一体,设计紧凑型机器人结构,在机器人运动过程中同步实现组件表面清扫,并对电机支架进行优化设计。其次,采用四轮驱动方式,设计盘刷式光伏清扫机器人驱动系统软硬件。在屋顶光伏组件表面开展实验,实验结果表明所设计的盘刷式光伏清扫机器人结构与驱动系统满足清扫需求,在夏季晴天天气清扫一块面积为2.44 m^(2)的光伏组件,对比清扫前后光伏组件标准化的电气特性,清扫后修正至标准测试条件(STC)下的最大功率提升约16.1%。

“科产教融合”机器人实践课程教学改革探索

面向智能制造与机器人行业当前及未来人才重大需求,针对智能制造与机器人实践创新型人才培养过程中,面临的价值塑造作用不足、实践创新能力培养不足、体制机制支持度不够等问题,提出“专业交叉、行业交叉”“科教融合、产教融合、专创融合”的科产教融合机器人专业课程实践教学改革实施方案,重构机器人课程设计理念,深度开展科产教融合育人模式与实践基地建设,强化课程实践教学相关的知识、平台、学科和管理支撑,促进教育链、人才链与产业链、创新链的有机衔接,培养机器人实践创新型人才和高层次应用型未来领军人才。