基于超声影像导航的肝癌消融机器人系统的误差传递

建立了基于超声影像导航的肝癌消融机器人系统误差传递模型．该系统主要由超声影像设备、导航 软件子系统、定位装置和穿刺机器人四个模块组成．机器人系统首先通过三维超声重建、术前模型和术中实体的 配准以及定位装置和机器人之间的坐标转换将肿瘤的目标靶点转化到机器人坐标系中,然后再控制机器人运动到 指定的靶点位置进行治疗．首先分析上述流程,指出误差源．然后,利用齐次变换矩阵的微分矩阵建立靶点映射 误差传递模型,并通过仿真实验验证了靶点误差模型的正确性．最后,对系统进行了精度测试实验,实验结果表 明该系统的总体误差小于5 mm,满足消融治疗肝癌的需求,能有效地提高肝癌的治疗效果．     

基于正侧位投影约束的空间配准与脊柱手术导航

为提高机器人辅助脊柱手术的精确性、安全性以及易用性,将术前CT 图像与术中X 射线图像配准． 传统单平面配准法因缺乏沿光轴的深度信息而导致导航误差较大,本文通过同时计算正侧位透视图像来提高配准与 导航精度．通过分析正侧位投影空间变换模型,利用该双平面几何约束实现自动的配准初值估计并建立3 维手术空 间与CT 空间的映射．在虚拟X 射线导航基础上,利用立体视觉定位计算手术器械在CT 空间的实时位姿从而实现 3 维导航．脊柱体模实验证明该配准与导航方法的精度满足手术要求,动物椎板磨削实验表明该系统可实现实时监 控,提高手术安全性．     

空间网格化的机器人变参数精度补偿技术

现有的机器人参数辨识的方法所能提高的绝对定位精度有限,是由于关节和连杆柔度等非几何因素造成误差在空间中分布不均匀.为此,本文提出了一种变参数误差模型.由于各轴之间耦合,为了便于求解,提出采用空间网格来处理该变参数误差模型,同时提出了一套规则的参数辨识采样点选取方法.利用改进型的Levenberg-Marquardt迭代最小二乘法求出各网格对应的参数误差的全局收敛解.最后,利用激光跟踪仪在KUKA工业机器人上进行运动学标定验证补偿效果.验证结果表明:能将机器人的绝对定位精度平均值从0.901 mm提高到0.115 mm.     

机器人辅助微创全膝关节置换手术系统

开发了面向全膝关节置换手术的机器人辅助截骨系统,实现了膝关节解剖结构精准建模、术前截骨路径3维规划、图像配准以及术中机器人可视化导航.采用多模态图像融合与主动轮廓模型分割技术实现了包含关节软骨在内的膝关节自动化建模与可视化;在此基础上采用3维交互技术实现截骨路径的术前规划;术中基于自主研发的双目视觉跟踪系统,采集关节骨表面3维点云与术前3维模型进行形状配准,完成图像空间和机器人空间之间的映射;最后通过视觉导航技术引导机器人完成截骨操作.实验结果表明,机器人系统综合定位误差为0.87 mm,截骨操作误差小于1 mm.     

基于二维超声- 三维 CT 配准的肾脏穿刺定位方法可行性研究

医学影像引导的经皮肾穿刺手术是经皮肾镜取石术中建立手术通道的重要手段,高质量的 实时医学图像可以提高术中穿刺精度,减少手术风险。针对自由呼吸下经皮肾穿刺靶点的导航定位问 题,该研究提出了一种基于术中二维超声-术前三维 CT 实时配准的肾脏穿刺定位方法。首先对肾脏轮 廓特征的二维超声图像和三维 CT 图像进行由粗到精的快速配准,然后通过超声探头标定,将配准融合 后的图像注册到手术空间,实现穿刺靶点的实时定位。人体腹部模型实验结果表明,超声探头标定均 方根误差为 0.998 mm,二维超声和三维 CT 数据配准误差为 0.709 mm,平均配准运算时间为 1.15 s,最 终的平均定位误差为 2.265 mm。     

一种基于 Kinect 相机的腹部肝穿刺介入导航系统

为验证 Kinect 相机用于腹部肝穿刺介入导航的可行性,开发了一套基于第二代 Kinect 相机 的被动光学定位导航系统。该系统实现了一种无标记术中注册方法,分别从术前腹部 X-射线计算机断层图像和 Kinect 相机获取的彩色及深度图像中提出腹部表面点云数据做匹配,实现术中数据与术前 数据融合。为验证系统的导航精度,分别在 1 个腹部体模和 6 只健康比格犬肝脏区域做了穿刺导航实验,穿刺结果分别统计了靶点配准误差、用户手动误差和靶点定位误差。体模实验显示,靶点配准误 差、用户手动误差和靶点定位误差分别为(4.26±1.94)mm、(2.92±1.67)mm、(5.23±2.29)mm。同 时比较了第一代和第二代 Kinect 相机应用于穿刺导航的性能,实验结果表明,第二代相机的导航精度明显高于第一代。动物实验中得到的靶点定位误差及其横向、径向误差分量为(6.40±2.72)mm、 (4.30±2.51)mm、(3.80±3.11)mm。由实验结果可知,该研究成功验证了 Kinect 相机用于腹部肝穿刺介入手术导航的可行性。     

颅颌面外科辅助手术机器人系统

本文针对颅颌面外科手术中存在的精确定位难以保障、无导航系统、医生长时间手术易疲劳等问题,介绍研制的颅颌面外科辅助手术机器人系统。首先介绍整个系统的组成,然后从颅颌面外科术前手术设计、机器人机械构型、控制系统和导航系统等方面进行详细论述。最后,探讨了颅颌面外科手术机器人的发展方向及下一步的工作。     

机器人辅助外科手术定位系统的初步实验与误差分析

基于提出的一种新的非接触、非损伤机器人辅助外科手术的定位方法，初步实现了一个原型 实验系统．首先介绍了原型系统的结构组成，三维模板的设计要求，然后给出了实验结果， 最后分析讨论了影响定位精度的主要因素.系统从原理上讲是可行的，从应用上讲是可能的 ，但需进一步提高系统的定位精度．实验表明，影响定位精度的主要因素是模板与机器人之 间的机械接口尺寸精度、由力传感器与模板重量引起的机器人机构变形、图像畸变的误差以 及选取投影点数据的不确定性，其中我们认为改进机械接口尺寸精度是提高系统定位精度的 主要途径，这是因为模板上的3个基本标记点是实现医疗图像上的病灶点到实际病人体内病 灶点映射变换的关键．     

空间机器人遥操作地面验证技术研究

针对空间机器人遥操作任务需求,建立了一套遥操作地面验证子系统．该地面验证子系统由天地通信模拟模块、空间机器人动力学模块、物理验证模块及星载验证模块组成．天地通信模拟模块对天地通信链路的时延和带宽进行模拟,动力学模块根据遥操作命令计算系统的动力学响应,物理验证模块和星载验证模块分别对空间机器人的末端运动、中央控制器的运算能力和执行时序进行验证．实验结果表明了该子系统的有效性．     

计算机辅助外科手术空间配准技术的研究

医学图像和实际手术空间的配准问题是计算机辅助外科手术技术的一个重要的研究热点,它能够帮助医生选择最佳手术路径和减小手术损伤,实现手术的方便快捷和微创,提高手术成功率。主要研究了一种基于ICP算法的计算机辅助外科手术中空间配准技术,通过获取实验模型的空间坐标信息,进行点集配准,找到最优旋转矩阵和最优平移向量。并通过仿真实验给出了模拟的配准结果,仿真试验结果表明,ICP算法配准精度高,适用于计算机辅助外科手术。     

基于电磁定位的手术导航探针可视化与实时跟踪技术

针对手术导航探针可视化与实时跟踪技术进行了研究.文中对电磁定位方法进行了介绍,设计了电磁定位下具有数据采集功能的探针.首先,应用3维实体造型技术构建探针的模型,完成实体几何模型向3维表面模型的转化.其次,使用旋转.沣册方法对针尖进行注册,并进行了精度测试.然后,应用最近点迭代(ICP)算法实现CT模型与患者位置的术中注...     

Modelling and analysis of a novel CT-guided puncture robot for lung brachytherapy

In this paper, we present a novel CT-guided needle puncture robot system with seven degree of freedoms. All basic requirements of interventional radiology can be met. To solve the space constraints and compatibility requirement, tendon-sheath transmission is used as the drive mode of the end-effector. According to the kinematics analysis of the robot configuration, the reachable workspace is obtained, which can completely cover the chest of patient. Based on the Jacobian matrix, dimension parameters are optimised for better flexibility and kinematic performance in the workspace. Since respiratory movement will cause real-time motion of the tumour, a method is proposed to decrease the puncture error caused by respiratory movement. And the feasibility of this method is verified by puncture experiment based on independent design of respiratory motion simulation device. It is proved that this method will lead to an increase in the puncture accuracy by 2.4 times. In addition, the CT compatibility of the robot is verified, and the positioning accuracy is also measured through the experiments.     

工业机器人定位误差规律分析及基于ELM算法的精度补偿研究

针对工业机器人应用于飞机零部件自动化钻孔时绝对定位精度较差的问题,提出利用极限学习机（ELM）算法建立机器人法兰中心点理论位置与实际位置之间的误差模型,并优化补偿机器人定位精度的方法．首先基于空间网格采样方法,获得了机器人绝对定位误差沿机器人基坐标系不同方向的误差变化规律,分析了建模补偿的可行性;其次建立基于ELM算法的误差补偿模型,并针对误差模型训练中隐含层神经元个数取值问题进行了分析优化．实验结果表明,机器人绝对定位误差值沿其坐标系不同方向存在不同的变化规律,补偿前绝对定位误差分布范围为0.29 mm~0.58 mm,平均误差为0.41 mm;补偿后定位误差分布范围降低到0.04 mm~0.32 mm,平均误差为0.18 mm;采用ELM算法建模的补偿速度快,泛化性能好．     

微创血管介入手术机器人控制系统与零位定位装置设计

为实现微创血管介入手术机器人对手术工具的精确定位和稳定把持,设计了其控制系统及相应零位定位装置.首先介绍了机器人系统组成和基于PMAC(可编程多轴控制器)的上下位机控制系统构架.同时,设计了5次插值运动规划算法和关节运动的三环PID控制算法,提高了机器人响应速度和稳定性.为了确定机器人运动初始位置,提出了以霍尔传感器为基础,结合电机运动信号的零位找寻方法和装置.实验结果表明,该零位定位装置定位稳定且准确.     

GWM-view: Gradient-weighted multi-view calibration method for machining robot positioning

Multi-camera vision is widely used for guiding the machining robot to remove flash and burrs on complex automotive castings and forgings with arbitrary initial posture. Aiming at the problems of insufficient field of vision and regional occlusion in actual machining, a gradient-weighted multi-view calibration method (GWM-View) is proposed for the machining robot positioning based on the convergent binocular vision. Specifically, the mapping between each auxiliary camera and the main camera in the multi-view system is calculated by the inverse equation and intrinsic parameter matrix. Then, the gradient-weighted suppression algorithm is introduced to filter out the errors caused by camera angle variation. Next, the spatial coordinates of the feature points after suppression are used to correct the transformation matrix. Finally, the hand-eye calibration algorithm is implemented to transform the corrected data into the robot base coordinate system for the accurate positioning of the robot under multiple views. The experiment on the automotive engine flywheel shell indicates that the average positioning error is controlled within 1 mm under different postures. The stability and robustness of the proposed method are further improved while the positioning accuracy of the machining robot meets the requirements.     

脊柱手术机器人

针对脊柱手术中的椎弓根钉内固定术,为克服医生操作手术时定位精度难以保证、长时间手术易疲劳等问题,设计了一套脊柱手术机器人系统用于辅助实施椎弓根钉内固定术。机器人为5自由度,充分考虑手术机器人对安全性和工作空间有效覆盖的要求,进行了构型设计,并完成了相应的机器人运动学分析。控制系统是由图像导航下的主动控制和基于力传感器的被动拖拽控制两个模式进行控制。主动控制下,医生通过导航系统提供最优钉道的精确位置信息,机器人根据医生的规划路径自主到达手术点;被动力拖拽控制基于导纳控制原理对医生作用在机器人末端执行器的操作力进行映射,并以此形成跟随拖动动作的机器人运动控制指令。针对力拖拽控制的实验验证了机器人在被动拖拽控制模式下能够柔顺地跟踪医生的操作动作。     

基于三坐标测量机的机器人位姿精度检测方法

针对医疗场合导航引导下的手术机器人定位精度检测问题,提出了基于三坐标测量机的机器人位姿距离精度测量方法。该方法通过放置在一个平面上的三个标准球来实现三坐标测量机对姿态精度的测量,并参照机器人辅助外科手术系统的定位原理构建基于三坐标测量机的机器人位姿检测平台。在此基础上,依据国家标准规定的机器人性能检测方法和过程,完成机器人位姿距离精度的测量。通过该方法对研发的骨科手术定位机器人进行测量的结果表明,所设计机器人位置距离准确度和重复性分别在[10-1]mm和[10-2]mm级别,姿态距离准确度和重复性分别在[10-1]度和[10-2]度级别。最后将该机器人应用于前交叉韧带重建手术实验,结果表明通过这种方法检测的机器人能够满足手术场合要求。     

基于点云匹配的AR饰面作业系统跟踪注册方法

针对建筑机器人饰面作业过程中常因视觉遮挡导致作业效率低的问题,使用增强现实解决遮挡并提出一种基于点云匹配的增强现实跟踪注册方法。利用目标模型点云与作业环境点云的匹配进行目标的初始定位;利用改进的相关滤波跟踪算法对目标进行跟踪获取目标位置;基于迭代最近点法对目标位姿进行估计。在跟踪注册过程中加入位姿优化,保证目标位姿估计精度。为了更加准确地跟踪目标位置,提出一种特征融合和尺度自适应的改进相关滤波目标跟踪算法。通过板材安装实验,表明跟踪注册方法精确性、实时性均较好,最小识别误差达到2.88 mm,具有良好的虚实融合效果。