基于非线性力反馈的血管介入手术训练系统

血管介入手术训练系统是利用虚拟现实技术帮助医生学员快速、高效、低成本地掌握血管介入手术技能的训练系统。由于国外商业产品存在较高技术壁垒且我国对本课题的研究起步较晚,导致系统存在血管形变仿真缺失、力反馈计算方法简单等诸多不足。针对这些问题研发了一套血管介入手术虚拟训练系统,实现了系统的血管与导丝柔性形变、血管碰撞检测、力反馈计算与导丝运动控制等功能。分别基于张量有限元和杆单元有限元构建了血管和导丝的物理模拟模型;研究了血管与导丝模型的碰撞检测方法;通过导丝前端碰撞模型与血管壁碰撞模型间的接触面积构造非线性力学方程,提出了非线性力反馈计算方法。实验结果表明,系统中血管张量有限元物理模型具有良好的柔性形变效果,为系统提供了较好的视觉反馈信息;非线性力反馈计算方法更好的模拟了导丝与血管间作用力的特性;系统实现了手术训练功能,并具有良好的实时性。     

虚拟前交叉韧带重建手术中的触觉计算技术

虚拟手术训练仿真系统在医学教育训练中有着重要意义.膝关节损伤是运动伤的常见病,前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)重建手术是膝关节镜手术难度较大的术式之一.重点介绍软件实现虚拟ACL重建手术中的关键触觉技术,提出了钻孔模型表面模拟和钻孔骨道内壁模拟两个算法,实验效果表明了算法的有效性.     

基于四元数方法的绳系机器人姿态控制

为进一步提升空间绳系机器人在轨服务能力，研究了空间绳系机器人抓捕目标后的复合体姿态控制问题.首先，基于四元数原理，描述了空间绳系机器人在抓捕目标后组成的复合体姿态，建立了空间绳系机器人系统的动力学方程；其次，针对带约束的动力学控制方程，结合投影技术和Runge Kutta方法，构造了一种保四元数范数的显式投影方法；最后，通过数值实验，验证了所提出数值方法的有效性，同时分析了采用系绳和推力器同时控制，采用系绳、推力器相互切换控制，以及单独采用推力器进行控制这3种方式对空间绳系机器人抓捕目标后的复合体姿态的控制效果和能量消耗.     

老年静止期翼状胬肉两种手术方法的临床评价

目的比较显微镜下单纯翼状胬肉切除与切除后联合角膜缘干细胞移植两种手术方式对老年静止期翼状胬肉患者的治疗效果.方法将>65岁的原发性静止期翼状胬肉患者随机分为两组,A组行显微镜下单纯翼状胬肉切除术,B组在翼状胬肉切除后行自体角膜干细胞移植,术后随访6~36个月(平均10个月),观察手术时间及术后复发情况.结果 A组手术时间(14.2±1.3)min,明显短于B组(24.1±1.2)min,比较有统计学差异(P=0.000).而复发率比较,A组复发率6.67%(2/30),B组复发率3.33%(1/30),两组间无统计学差异(P=0.550).结论两种手术复发率均较低,但单纯切除术手术时间短,对不能长时间耐受手术或手术配合度较差的老年静止期翼状胬肉患者,可以作为首选手术方式.     

基于图像质量评价的手术机器人系统磁共振兼容性分析方法

为保证手术安全及操作精度,基于磁共振图像导航的手术机器人系统需具备磁共振设备兼容性. 针对这一问题,本文提出了基于磁共振图像质量评价的手术机器人系统磁共振设备兼容性分析方法,扩展了图像数据集,并结合图像信噪比、图像变化因数、磁共振图像畸变量等评价参数,逐一分析机器人系统组件通电、机器人系统运动对磁共振图像质量产生的影响,建立图像质量评价依据. 实验结果表明,该质量评价方法可充分分析手术机器人及其系统组件的磁共振兼容性,且可为医疗手术机器人系统组件的磁共振兼容性分析提供测试方法与理论依据.     

士兵可穿戴下肢外骨骼机器人多元感知方法研究

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴且融合了多种机器人技术的复杂人-机系统。它将人类的智慧与机器人强壮的能力有效地结合起来,最大限度地提高人体的机动力和耐力,这为提升单兵作战系统的能力创造了条件。鉴于下肢外骨骼机器人在作战、后勤保障时可能遇到的复杂地形、多变随机的任务等,仅通过基于既定的典型步态规划程序驱动执行已知的特定动作,难以保证人机间的耦合性和动作的高随意性切换。为此,模拟并提炼出士兵常见的六种下肢动作作为后续研究,然后分析了下肢外骨骼机器人的感知控制原理,并提出了基于脑电预判感知、肌电精确感知和光纤实时校正的多信息融合的感知方法,强调将人的智能参与到机器人控制中,以期推进士兵可穿戴下肢外骨骼机器人的实用化。     

基于VxWorks的水下机器人通信系统设计

针对水下机器人（ROV）在深海高噪声干扰环境中工作的特点,设计了一套基于VxWorks实时操作系统的ROV整体通信系统,实现了水下核心控制器对水下分系统快速高效的信息采集和数据分配,水下系统和水面控制器稳定实时的数据交换;硬件方面设计了以CAN总线为基础的水下通信系统,通过FPGA实现了CAN总线和PC104总线之间的时序逻辑转换,软件方面设计了基于TCP/IP协议栈的水面操控台和ROV之间的网络通信方式和水下各系统之间的CAN总线通信方式,着重介绍了基于缓冲队列的网络通信编程;通信系统数据测试实验表明：CAN总线通信和网络通信均具有良好的实时性和可靠性,满足最初的设计需求,而且采用模块化设计,便于维护和移植。     

基于RFID无阻塞扫描控制的机器人室内定位设计

针对RFID移动机器人室内定位中的标签扫描问题,提出一种基于六边形分布模式的RFID无阻塞扫描控制方案,用于机器人的室内定位系统设计和误差检测。首先,将RFID标签根据六边形模式进行分布,减小位置估计的静态误差;然后,阅读器利用固定信道分配(FCA)方法给每个标签分配ID,使阅读范围内标签ID都不相同;最后,当阅读器读取信息时,发送查询请求给范围内的标签,标签根据自身ID决定应答时隙,避免冲突。实验结果表明,相比基于树的扫描控制方案,本文方案能够降低标签/阅读器的复杂度,同时具有较小的位置估计误差和扫描延迟,可帮助机器人实现精确定位。     

基于虚拟样机技术的四足机器人静态稳定步态规划

针对现有技术文献中广泛使用的多种静态稳定步态中速度稳定性与稳定裕度不可兼得的通病,在随动质心的静态步态基础上,利用参数化坐标变换矩阵方法规划出一种四足机器人前进过程中质心以曲线轨迹移动的静态步态方法,使该步态方法以连续性速度运动的过程中保证一定稳定裕度。通过D-H法求得四足机器人的逆运动学坐标变换矩阵,分别在三维空间中对四足机器人的四组足端轨迹方程进行规划,并带入MATLAB软件后以逆运动学方程计算出关节夹角驱动方程,利用步态规划图求出机器人四条腿各自对应的夹角驱动方程以及机体质心轨迹方程。最后在MSC.ADAMS软件中建立四足机器人虚拟样机并对规划的步态进行虚拟仿真,仿真结果验证了该步态对提升四足机器人对于速度连续性以及稳定裕度的提升。