柔性超声传感结构健康监测技术现状与展望

现有硬质传感器因黏接耦合到待测结构所带来的检测结果可靠性差、附加质量重及体积大等局限,难以在实际工程结构中全面应用。针对此问题,新型柔性传感技术利用聚合物等柔性材料,结合新型制备工艺,可将整个传感网络直接制备于待测结构,灵活布置于复杂形廓位置,具有检测灵敏度高、重量轻、柔性好和可设计等优点。针对主流的基于超声技术的结构健康监测方法,柔性传感单元可形成大面积、高密度的完备传感网络,并且具备信号调制能力,能够完成多种形式的主被动监测任务,为结构健康监测技术在航空航天、轨道交通和石油管道等工程结构的应用提供关键的技术保障。     

上肢经肱骨截肢神经功能重建研究

表面肌电信号是一种安全、非侵入的电生理信息,作为实现直觉控制多功能肌电假肢系统的信息源而被广泛应用。由于经肱骨截肢者截肢的程度较高,残留的肢体肌肉少,缺乏足够的肌电信息源,无法实现多功能肌电假肢的直觉控制。目前现有技术是通过采用靶向肌肉神经功能重建的方法重建缺失肌电信息源。但目前国内尚未有关于截肢者残端神经功能重建方法的相关研究。因此,文章提出一种新型的神经吻合技术——目标神经功能替代术：采用靶向肌肉神经功能重建术与目标神经功能替代术相结合的方法,首次在国内对经肱骨截肢者成功实施了神经功能重建手术,成功建立了经肱骨截肢者神经功能重建模型,重建了因截肢而丧失的肌电信息。并采用高密度肌电技术对术前和术后的手-腕-肘部动作进行肌电信号采集,通过动作分类识别的准确率验证了该手术后肌电信息源重建的可靠性。这些结果初步验证了该方法可以为经肱骨截肢者残肢重建缺失肢体神经功能,并为直觉控制多功能肌电假肢提供潜在的信息源。     

低成本自适应仿人假肢手设计

中国肢体残疾患者数量巨大,佩戴智能仿生假肢是改善和提高患者日常生活活动能力的重要手段之一.针对目前商业化多功能假肢手价格昂贵、实用性低,单自由度假肢手功能单一等缺点,提出了一种低成本自适应假肢手的设计,兼顾假肢手的成本、功能与外观.该假肢手仅用单个电机驱动,完成力量抓取、精确抓取、侧捏这三种日常生活活动能力中最常用的手部动作,并且其手指在一定程度能自适应被抓取物体的形状,增强抓取动作的稳定性.通过理论分析与软件仿真,证实了所设计的新结构假肢手能完成预定的动作.本研究能为后续假肢手的生产使用奠定基础.     

一种用于可形变对象操作的动力学模型隐式求解方法

机器人操作可形变对象在多类场景中具有重要的应用需求。然而,对象复杂的高维动力学模型导致难以准确、快速地计算其形变。本文建立了一种基于交替方向乘子法的对象形变动力学模型快速、准确、隐式优化求解方法。该方法以通用对象几何模型为输入创建有限元模型,并分别构建材料本构势能函数和操作及碰撞交互单元的位置约束能量函数。随后,采用动力学投影方法构建基于交替方向乘子法的两项优化求解问题,最终快速、准确地计算对象在机器人操作下的形变。数值实验表明,所提出的方法能够在保证相对形变计算误差低于5%的条件下,实现高于24帧/秒的物理形态更新。针对实际应用场景,对所提出的方法开展了从形变仿真预测到在线操作执行的量化评估以及全局约束环境下的离线规划和仿真应用验证。     

口腔正畸弓丝矫治器自动制备成形中的回弹补偿方法

在传统的口腔正畸临床治疗中,弓丝矫治器主要依赖于正畸医师手工弯制来完成,这不仅要求医师有长时间的训练过程,同时难以达到理想的个性化及精度要求,也增加了患者复诊次数及椅旁等待时间。据此,我们研发机器人系统来实现自动化的正畸弓丝矫治器制备。其中的一个难点问题是,弓丝材料的高弹性引起的回弹现象严重影响了弓丝矫治器的成形精度。因此,提出一种基于过弯预补偿模型和回弹力在线检测的过弯补偿方法,来消除弯制过程中的弓丝回弹现象。该方法首先通过一个自行设计的弯制回弹装置测量回弹前后的角度差,并将回弹后的角度作为目标成形角,以此建立成形角过弯量预补偿模型;然后通过力传感器进行弓丝回弹力在线检测,建立基于零力状态判断的自动弯制控制方法。上述方法在所研发的弓丝弯制机器人系统中进行弯制实验测试。结果表明,它能够最大限度地减小回弹效应,实现满足临床精度要求的正畸弓丝自动弯制成形。     

应用于人工皮肤的压电驻极体触觉传感阵列研究北大核心CSCD

基于聚丙烯压电驻极体(Piezoelectret)设计了一种应用于人工皮肤的触觉传感器。该传感器具有柔性良好、压电效应稳定、制备简单、成本低廉等特点。通过触压、滑动、同时触压与滑动、恒定力重复触压等实验,可观察到该传感器对不同触觉信号具有明显的特征差异,且阵列传感器的信号检测稳定性比单路传感器高40%。将该传感器置于假肢手指前端反馈触觉信号,并根据触觉信号调控假肢手的抓握力,可实现对易脆和光滑物体的稳定抓握。     

基于老龄大鼠的 Ⅱ 型糖尿病模型制备方法研究

为探索基于老龄大鼠建立\"Ⅱ 型\"糖尿病模型的方法.该研究纳入12只12月龄雄性Wistar大鼠,在大鼠连续4个月自由采食高脂饲料后,给予3次腹腔注射低剂量链脲佐菌素溶液(剂量为20 mg/kg,浓度为10 mg/mL),并检测给药前后大鼠空腹血糖浓度数据,将空腹血糖浓度高于11.1 mmol/L的大鼠定为\"Ⅱ 型\"糖尿病模型.实验结果显示,大鼠自由采食高脂饲料4个月后,体重由604.8±13.7 g增加为760.6±31.6 g(P<0.01);连续3次注射低剂量链脲佐菌素溶液后,空腹血糖浓度由5.6±0.7 mmol/L增加为22.9±2.7 mmol/L(P<0.01);继续观察2周后,大鼠空腹平均血糖浓度为17.4 mmol/L,仍显著高于糖尿病诊断标准的空腹血糖最低值11.1 mmol/L(P<0.01),糖尿病模型制备的成功率为83.3%.结果表明,连续注射3次低剂量链脲佐菌素溶液并结合高脂饲料饲养,可成功将老年Wistar大鼠诱导为\"Ⅱ 型\"糖尿病模型.     

人机智能协同在医疗康复机器人领域的应用

生物智能(人类智能)和人工智能(机器智能)各有所长,具有很强的互补性。借助各种人—机接口技术和方法,将生物智能和人工智能结合起来,使它们优势互补、协同工作,从而产生更强大的智能形态,并将孕育出重大的理论创新和技术方法突破。首先介绍了人机智能协同的主要研究方向、关键科学问题和主要研究内容,之后对人机智能协同在服务、医疗和康复机器人领域的应用及推动作用做了进一步介绍,最后分析了应用存在的可能问题和挑战并做出总结。