基于增强现实的脊柱微创手术导航系统

针对脊柱微创手术实际的临床导航需求,设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建,将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定,采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械,建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系,将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中,从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示,帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试,系统导航误差小于2.8 mm,可以满足脊柱外科的临床应用要求。     

基于深度图像与三维栅格离线映射的机械臂环境建模方法

为确保动态非结构化环境中人、机器人、环境3者的安全,提出一种基于深度图像与三维栅格离线映射的机械臂环境建模方法,该方法分为离线映射与在线更新两个步骤.离线映射首先将机器人工作空间划分成三维栅格,然后利用标定得到的RGB-D相机内外参数矩阵离线计算深度图像与三维栅格之间的映射关系并保存;在线更新是利用帧差法和查询离线映射表的方式更新三维栅格中的环境信息.为全面描述机器人的工作空间,进一步扩展此方法,提出多传感器信息融合以及从环境模型中滤除机械臂本体的方法.整套环境建模方法具有描述能力强、模型精度一致、可实现多传感器信息融合以及可在线更新的优点.最后,分别通过仿真实验、基于两个Kinect相机和7自由度KUKA IIWA机械臂的实际建模与末端避障实验,验证所提出方法的有效性.     

多移动机器人合作系统中的单机控制体系结构研究

随着机器人技术的不断发展,出现了合作多移动机器人系统这一新的研究和应用领域,随之而来的是对机器人控制体系的新的要求．本文分析了合作多移动机器人系统对单机控制体系结构的要求,并以此为背景,在比较两种典型的智能机器人体系结构的基础上,提出一种混合分层的体系结构     

基于最优激励位姿序列的机械臂负载估计

重力补偿方法广泛地应用于由连杆与旋转机构组成的机器人系统中,更换机器人末端执行器造成了补偿模型的不确定性．针对该问题,提出了一种利用机器人关节力矩与位置信息的负载参数离线辨识方法．基于机器人静力学方法提出了2种负载参数的计算模型,并通过采集机器人在多个静态位姿条件下的关节力矩与位置信息获得负载参数的最小二乘解．进一步,本文针对机器人的辨识位姿选取问题展开研究,提出了同时保证辨识精度与辨识简便性的多目标优化问题,使用多目标粒子群优化方法获得最优辨识位姿．根据辨识后的负载参数,给出了机械臂各关节负载的重力补偿量计算方法．实验结果表明所提方法具有较高的辨识精度,负载质量的辨识误差最小值达到0.007 06 kg,最大值达到0.151 kg,负载质心位置的辨识误差最小值达到0.025 4 m,最大值达到0.122 m,验证了上述方法的可行性与有效性．     

一种基于谐振与抗谐振特性的柔性关节参数辨识方法

为了获取柔性关节精确的物理参数,提出了一种基于系统谐振与抗谐振特性的参数辨识方法.首先建立柔性关节的数学模型,利用该模型推导柔性关节的谐振、抗谐振频率特性与待辨识参数的数学关系,然后基于此关系建立误差回归模型,设计实验采集不同负载条件下的输入与输出数据,计算得到系统的谐振、抗谐振频率及幅值,代入回归模型并基于最小二乘法求解参数.最后,通过仿真与实验将本文方法与一般的频域特性拟合方法进行对比,结果表明在含有噪声的情况下本文方法将参数辨识平均精度从75.34％提高到90.35％,方差从25.34％降低到8.07％,验证了所提方法的可行性与有效性.     

一个多智能体机器人协作装配系统

介绍了一个基于多智能体概念实现的多机器人协作装配系统——ＭＲＣＡＳ（Ｍｕｌｔｉ－ＲｏｂｏｔＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＡｓｓｍｂｌｙＳｙｓｔｅｍ）。该系统由组织级计算机、三台工业机器人和一台全方位移动小车（ＯＤＶ）组成，采用分层递阶体系结构。利用ＭＲＣＡＳ系统进行了多机器人协作装配的实验：在ＯＤＶ装配平台上，四台机器人合作装配一个大型桁架式工件。该工件具有多种装配构型，但任何一台机器人不能独立完成装配。     

基于改进粒子群优化的乒乓球发球机械手轨迹规划

在运动学约束下,为使得乒乓球发球机械手能够完成快速、连续、高精度的发球动作,以多项式插值轨迹规划法为基础,结合粒子群优化思想,提出了一种基于改进粒子群算法的多项式插值轨迹规划方法.通过对五自由度兵乓球发球机械手的运动学分析,获取路径点在关节空间中相对应的高精度位置后,采用多项式插值法规划机械手的运动轨迹,同时利用非线性...     

脊柱微创手术机器人研究现状

外科手术机器人是当前机器人研究领域的热点，机器人操作的精确性、稳定性已经得到医疗界及患者的认可。本文以脊柱微创手术为背景，对目前脊柱（骨科）手术机器人的研究现状及未来发展趋势进行分析和论述。     

便携式移动机器人姿态解算方法

本文根据便携式移动机器人的特点，采用四元数法解算机器人导航系统的姿态，避免了在机器人运动角度较大时出现奇异点的问题。文中应用改进的四阶龙格-库塔算法解算四元数微分方程，经仿真实验，精度完全能够达到要求。给出了合理的变换公式．在机器人运动范围内，满足了四元教与欧拉角之间转换的一一对应。     

基于主方向傅里叶变换算子的2D/3D分级配准

目前的2D/3D医学图像配准方法的配准精度和效率存在矛盾,配准捕获范围小.为解决这些问题,本文提出一种基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法.首先,提出平面旋转平移不变性算子——主方向傅里叶变换算子.然后,提出基于主方向傅里叶变换算子的模板匹配初始化方法,可避免接近真值的初值需求,并显著扩大了捕获范围.最后,提出基于主方向傅里叶变换算子的分级配准框架,将配准搜索空间从O(n6)降到O(n2),在保证配准精度的情况下大幅提高配准效率.在配准实验中,本文方法的配准精度为0.68 mm±0.28 mm,配准时间为16.87 s±3.77 s,捕获范围大于100 mm.因此,所提出的基于主方向傅里叶变换算子的分级配准方法可以满足2D/3D图像配准在相关临床应用中精度、效率及捕获范围的需求.