基于主成分分析的不同预处理方法对关节软骨分类的影响

本文采用不同方法对来自正常和病变关节软骨样本的红外光谱进行预处理,而后利用主成分分析对关节软骨进行鉴别分析。首先对关节软骨切片实现傅里叶变换红外光谱采集,其次分别采用基线校准、标准化、多元散射校正和标准正态变量变换对软骨的红外光谱进行预处理,然后对原始光谱(矩阵)以及预处理光谱进行主成分分析,根据得分矩阵对样本进行分类分析。结果表明:预处理方法结合主成分分析可以更好地对正常和病变关节软骨样本进行分类,而且多种预处理方法的结合可以更好地增强样本间的区分度。另外,针对关节软骨样本,多元散射校正比标准正态变量变换具有更好的增强效果。     

大型精密光学调节架的俯仰角运动控制方法及误差修正

航天遥感仪器的光学装调需要使用大型精密调节架,其俯仰角调节机构使用步进电机驱动,且传动比为非线性,因此控制难点在于如何以步进电机开环方式来实现调节架俯仰角的精确运动。通过对现有调节架的俯仰角运动机构进行建模分析,得到其运动学模型为偏心曲柄滑块机构。根据运动学公式,分析了当前使用的控制方法精度不高的原因,并提出了新的控制方法。在此基础上,为了验证新方法下调节架俯仰角的运行结果,引进了全新的测量工具一激光跟踪仪。根据测量结果,绘制出俯仰角的目标值和误差曲线图,分析误差规律并修正。经复测,俯仰角的运动精度最终达到了光学装调的要求。     

Generation and motion control of optical multi-vortex

The generation and propagation dynamics of multiple optical vortices hosted in a Gaussian beam are experimentally demonstrated by use of the computer-generated holography. Fluid-like motions of the multi-vortex beam are observed owing to the helical phase structure. The multi-vortex beam with identical topological charge presents rotation, which can be suppressed by changing the sign of the topological charge alternately. In addition, the transverse motion control of the multi-vortex is proved by inserting an additional vortex. Finally, rotary and stationary vortex lattices with different periodic arrays are experimentally constructed. The results exhibit potential applications in inducing twisted or stable waveguide arrays and new types of optical traps.     

柔性关节-柔性臂空间机器人的神经网络自适应反演控制及双重柔性振动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节。由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够。为此探讨了参数未知柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、轨迹跟踪控制算法设计和关节、臂杆双重柔性振动的主动抑制问题。首先,采用多体动力学建模方法并结合漂浮基空间机器人固有的线动量和角动量守恒动力学特性,推导了系统的动力学方程。以此为基础,考虑到空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入一种关节柔性补偿控制器解决了传统奇异摄动法应用受关节柔性限制问题,导出了适用于控制系统算法设计的数学模型。然后,利用该模型,基于反演思想在慢时标子系统中设计神经网络自适应控制算法来补偿系统参数未知和柔性关节引起的转动误差,实现系统运动轨迹跟踪性能;针对快时标子系统,设计了鲁棒最优控制算法抑制因柔性关节及柔性臂引起的系统双重弹性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真对比实验验证了所设计控制算法的有效性。     

OPTIMAL DISTAL SCREW ALIGNMENT IN THE GAMMA NAIL

The effect of stress distribution due to the changes of the distal screw alignment in relation to the Gamma nail and the femoral shaft is thoroughly studied in this paper. Failure of the Gamma nail composite occurs through the cranial aperture of the distal screws and the insertion hole for the lag screw due to nonunion, delayed-union and continued weight-bearing. A three-dimensional finite element model was used to study the fractured femur, the Gamma nail, the lag screw and the distal locking screws. The first and the second distal screws were inserted into the Gamma nail in four different configurations. We found that the stress of the Gamma nail composite was substantially reduced with the two screws configured in the anterior to posterior direction. This alignment can bear greater loading in the more demanding fracture types. In the subtrochanteric fracture or the comminuted fractures at the proximal femur, the optimal alignment of the two distal screws was in the anterior to posterior direction.     

胶原对生物组织的增强作用

胶原纤维对生物组织起一种拉伸增强作用．它们的功能可用三种组织的性质来说明：腱、关节软骨和椎间盘．腱在人体的关节周围将肌肉与骨连接在一起．关节软骨覆盖在大部分关节骨的端部表面，椎间盘则连接着脊椎骨使得它成为一种柔性结构．增强度β由组织中胶原的体积分量所定义和确定．增强效应系数η，则依赖于纤维的取向．在键中纤维是波形的．腱的变形的第一步主要是拉直波形纤维以增加η值．其结果是，当应变在低应变值时，应力会迅速增加．当波形纤维被拉直时，η＝１．关节软骨足以支持着外加的压缩是因为它本身具有高的内部膨胀压力．胶原纤维能增强组织则是因为它们的取向使得它们的应变适于这种压力．椎间盘大致是柱状的，它们由内核区和包围内核的环状结构组成．这些环状结构由胶原层组成，每一层内的胶原纤维是平行的，但都与脊椎轴倾斜成一定角度．扭转和弯曲牵伸一些纤维，这种纤维增强了椎间盘．由于不是所有的纤维被牵伸，故所施的压力并不是均匀分布的．于是，扭转和弯曲是潜在的损伤力．椎间盘的压缩使所有的纤维受力．外部压缩会损伤脊椎的骨头而无损于环状结构．     

健康和病变关节软骨的傅里叶变换红外光谱显微成像及Fisher判别

傅里叶变换红外光谱显微成像(FTIRI)可同时获得样品的红外光谱和形貌信息,其与化学计量学方法结合,可实现生物组织中主成分含量及分布的定量研究.本研究采用FTIRI技术结合主成分分析(PCA)以及Fisher判别算法对正常和病变的关节软骨进行鉴别分析.对关节软骨切片进行实现FTIR扫描及光谱分析,再利用SPSS软件对软骨的光谱(矩阵)进行主成分分析,根据主成分得分矩阵构造分类函数,结合Fisher判别算法对样本进行分类识别.正常和病变的关节软骨样品识别准确率高达95.7％(初始案例)和94.3％(交互验证案例).本方法可准确有效地辨别关节软骨是否发生病变,为监测骨关节炎的发生和修复提供参考.     

空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力. 双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势. 然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存. 因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂. 为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题. 首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略. 根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程. 最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H_∞ 控制方案. 提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H_∞ 鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作. 李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性. 最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.      

基于干扰观测器的柔性关节空间机器人退步自适应控制

研究了载体位置、姿态均不受控的情况下,系统参数不确定的柔性关节空间机器人轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系,利用拉格朗日法推导出系统的动力学模型.为减小系统柔性关节对系统控制精度的影响,采用关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性.再借助奇异摄动法,针对系统参数不确定的情况,设计了柔性关节空间机器人基于干扰观测器的退步自适应滑模控制方案.该方案不需要对系统惯性参数进行线性化处理,控制器结构简单,且实现了空间机器人期望轨迹的精确跟踪控制.通过平面两杆空间机器人的数值仿真证明了该方法的有效性.     

A new method for computing the uniaxial modulus of articular cartilages using modified inhomogeneous triphasic model

It is well known that subtle changes in structure and tissue composition of articular cartilage can lead to its degeneration. The present paper puts forward a modified layered inhomogeneous triphasic model with four parameters based on the inhomogeneous triphasic model proposed by Narmoneva et al. Incorporating a piecewise fitting optimization criterion, the new model was used to obtain the uniaxial modulus Ha, and predict swelling pattern for the articular cartilage based on ultrasound-measured swelling strain data. The results show that the new method can be used to provide more accurate estimation on the uniaxial modulus than the inhomogeneous triphasic model with three parameters and the homogeneous mode, and predict effectively the swell- ing strains of highly nonuniform distribution of degenerated articular cartilages. This study can provide supplementary information for exploring mechanical and material properties of the cartilage, and thus be helpful for the diagnosis of osteoarthritis-related diseases.