基于信息物理融合的骨折复位机器人系统构建

针对骨折治疗中传统复位方法（手法复位、牵引复位、手术复位）存在的二次损伤、肌能失调、患肢僵硬、破坏血运及术后矫正动态性能差等问题,提出了一种人-机-物融合的信息物理系统（CPHS）用于指导机器人的复位动作。首先,从CPHS的数字孪生、信息感知、系统集成、手术流程、模拟复位等方面论证了并联机器人信息物理系统的构成,将机器人的高定位精度及可重复性与微创方法有效结合,从而指导医生完成仿真规划及术中监控等一系列操作;其次,根据临床骨折复位过程,在机器人操作下对5组不同骨折姿态的模拟骨折病例进行了复位实验;最后,计算出每组实验复位后的移位残余及角度误差,并与传统复位方法的相应数据进行对比。实验结果表明,CPHS骨折复位机器人相较于传统复位方法,在骨折复位过程和患者术后康复上均有着明显的优势。     

数字孪生五维模型及十大领域应用

数字孪生(Digital Twin)作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段,近期备受学术界和企业界关注,尤其是数字孪生的落地应用更是关注热点。模型是数字孪生的基础与核心,而传统数字孪生三维模型已无法满足现阶段技术发展与应用需求。在此背景下,为推动数字孪生技术在相关领域和行业的进一步应用,在数字孪生车间研究过程中,提出了数字孪生五维模型的概念,以适应新需求。基于前期相关研究,在进一步阐述数字孪生五维模型后,结合相关合作企业实际应用需求,重点探讨了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10个领域的应用思路与方案,以期为相关领域践行数字孪生理念与技术提供参考。     

基于阻抗控制的骨外固定机器人矫形力自适应跟踪

针对传统骨外固定器矫形力无法准确控制、安全性差的问题,本文基于 RCM 构型,搭建一种膝关节骨外固定机器人,提 出一种间接自适应阻抗的矫形力跟踪方法。 由于存在机械摩擦以及外部不确定性,针对阻抗控制鲁棒性差的问题,采用力误差 信号作为目标阻抗的驱动力,建立新的阻抗模型适应矫形环境的变化,根据矫形力误差的变化,设计自适应律对阻抗参数实时 调节,在线补偿动态环境的不确定性,使系统的力跟踪误差为零。 并对所提的控制算法进行了胫骨矫形力控制的对比仿真和样 机实验。 结果表明:阻抗控制仿真结果各性能指标的加权平均值分别为 2. 12、8. 58 和 13. 2,且力跟踪实验的最大误差为 20 N; 相比于阻抗控制,自适应阻抗控制仿真性能指标的加权平均值仅为 0. 36、0. 18 和 0. 61,力跟踪波动误差控制在±3 N 以内,具有 更好的鲁棒性和自适应能力。     

基于运动轨迹图形拟合的辅助人体 侧翻机构设计研究

摘 要：仰卧位侧翻是长期卧床患者有效预防压力性损伤病症的有效措施之一,研究人体 运动机理并进行辅助人体仰卧位侧翻机构的拟人化设计具有重要意义。人体肩部和臀部是辅助 仰卧位侧翻较为关键的施力位置,基于人体解剖学分析肩部和臀部骨骼的空间运动,建立运动 标记模型,并进行人体仰卧位侧翻运动捕捉实验,得到肩部和臀部的运动轨迹图形与连杆模型 特征信息。通过分析连杆长度和角度的变化过程进行图形几何分析与连杆机构简化,基于运动 轨迹图形拟合的辅助人体侧翻机构构型,并对机构进行运动学仿真分析,运动仿真结果和实验 图形的拟合误差较小,验证了所提出的辅助人体侧翻机构拟人化设计方法的合理性,相关研究 结果可为人-机运动协同性辅助侧翻康复辅具的设计提供理论依据。     

糖尿病大鼠认知功能与氢质子磁共振波谱(~1H-MRS)的相关性研究

将40只健康的SD大鼠,随机分为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)实验组和对照组,T2DM实验组利用STZ链脲佐菌素(STZ)小剂量分次给药进行T2DM造模,然后喂食高脂、高糖和高蛋白饲料8周.采用Morris水迷宫法评估T2DM组大鼠和对照组大鼠的认知功能,研究其与双侧海马~1H-MRS(NAA、 Cho、 Cr、mI代谢物曲线下面积及其代谢物的比值)之间的相关性,并采用HE染色检测海马组织中是否有淀粉样蛋白沉积.结果发现T2DM实验组大鼠的学习潜伏期较对照组延长,与左侧海马NAA值减低呈负相关,记忆潜伏期较对照组缩短,与左侧海马NAA值减低呈正相关,~1H-MRS中的双侧海马NAA值较对照组均减低,以左侧为著,差异均有统计学意义(P<0.05).HE染色可见T2DM实验组大鼠脑组织有明显的淀粉样物质沉着,对照组大鼠海马组织中的淀粉样物质沉积不明显.研究表明T2DM引起大鼠海马组织学变化及代谢异常并损害认知功能,~1H-MRS可以为诊断T2DM脑损伤和评估认知功能提供简便有效的影像学方法与策略.     

定心矫形骨外固定机器人设计与分析

骨外固定技术为肢体矫形的重要治疗手段。 针对现有骨外固定矫形机构在肢体旋转和牵伸矫形时存在的运动耦合、旋 转错位等问题,借鉴 RCM 机构的构型优势,在传统 Ilizarov 外固定器的基础上设计了一种具有定心运动特征,易于实现单自由 度独立运动的 2R1T 定心矫形骨外固定机器人。 基于旋量理论,开展了传统 Ilizarov 骨外固定支架矫形的数学分析,并在此基础 上,建立了 2R1T 定心矫形骨外固定机器人的旋量系与反旋量系,进行了支链选型与构型综合。 最后,分析了机器人运动学位 姿及工作空间,并结合矫形要求对机器人进行了矫形运动仿真分析和样机实验,基于胫骨的运动轨迹,得出机器人转动矫形范 围为-15° ~ 15°,误差范围为±0. 5°,牵伸矫形范围为 0~ 30 mm,误差范围为±0. 2 mm,实现了矫形的量化与精准调控,保障了肢 体矫形的安全性。