面向肺癌近距离放疗手术的自动定位实时追踪系统

为辅助医生完成肺癌近距离放疗粒子植入手术,实现远距离监控下的穿刺用模板自动定位,研发了由机器人定位系统、电磁定位追踪系统和治疗计划系统(TPS)组成的模板自动定位实时追踪系统.针对术中空间配准,提出了四元数(quaternion)-最近点迭代(ICP)混合算法,CT环境下的现场实验结果表明,其配准精度达到(0.87±0.11),mm.模板定位追踪实验结果表明,系统的追踪精度达到(1.01±0.10),mm,满足手术需求.该系统的应用实现了模板的精确快速定位,对降低医生工作强度、减少病人所受辐射与加快肺癌近距离放疗手术进程,有着重要的临床意义.     

前列腺穿刺活检手术机器人的运动控制

针对传统手工进行前列腺穿刺活检的不足,设计了多自由度穿刺活检手术机器人模型.根据穿刺活检手术对机器人自由度及精度的要求,确定了机器人的位置调整方式和传动结构,并通过Solidworks建模设计机器人的三维模型,建立了机器人的D-H矩阵,运用Matlab中的SimMechanics工具箱实现机器人的工作空间仿真.仿真结果表明穿刺针工作空间范围是可行的.机器人代替传统手工进行前列腺穿刺活检具有精度高、更加灵活的优点,可有效降低医生的手术难度,对提高前列腺癌的阳性活检率有着重要的意义.     

核磁共振环境下机器人驱动及控制传感技术研究

核磁共振成像(MRI)导向下的机器人辅助微创手术,以其对软组织的高分辨率、高精度及高效微创等特点,近年来倍受国际医学界的青睐.但受核磁仪有限结构空间和高磁场强度的限制,传统的驱动方式及传感器无法在核磁共振环境下的机器人中使用.本文针对这一领域的应用特点,总结了目前国内外主要的核磁兼容驱动方式及传感器的技术难点,并通过国内外相关研究成果介绍了其原理、控制方法及设计制造方法.经过综合对比得出了各种方法的优缺点及各自的适用场合,并指出了该领域的发展方向.     

未知环境下机器人定位与运动目标侦测

提出了一种基于扫描点匹配的未知环境下机器人定位与运动物体侦测方法.该方法利用同一性检验原则完成扫描点类型判断,有效减小由环境运动物体引起的机器人定位误差,提高了动态环境下机器人同时定位与地图构建的准确性.该方法的引入提高了基于扫描点匹配的 SLAM 方法在实际环境中的应用价值,同时拓展了传统SLAM 的研究和应用范围,使之可以与目标跟踪方法相结合.通过实体机器人实验证明了该方法的有效性.     

基于代价地图的活检路径规划研究

穿刺活检手术作为多种疾病早期诊断最常用的技术之一,需要将一根细长的穿刺针刺入组织以获取组织标本,因此,穿刺路径的安全性和精确性对活检手术准确率和术后恢复至关重要.针对机器人辅助下的穿刺活检手术,本文提出了一种基于代价地图的穿刺路径规划方法.首先,将包含三维规划空间大小、空间中障碍物位置、形状等信息的原始地图作为输入,根据人工势能场理论构建代价地图,以定量评估障碍物以外空间的风险程度.其次,考虑带有斜尖的穿刺针插入组织中产生的实际偏转,采用非完整运动学模型作为穿刺针的偏转预测模型.在模拟解剖结构特征的障碍物环境下,使用代价地图计算可行入刺区域中不碰撞穿刺路径的代价值,并采用模拟退火算法进行优化,获得安全可行的穿刺路径以指导机器人执行的自动穿刺过程.最后,在自制的仿生模型中设计模体实验,分别按照传统直线穿刺路径和本文规划方法得出的安全穿刺路径执行自动穿刺操作.实验表明,按照规划路径进行穿刺的实际穿刺路径与规划路径较为相符,靶点穿刺误差在1.5 mm以内,较传统直线路径穿刺精度提高80%以上,且较临床的靶点穿刺误差(5.5～5.6 mm)有明显降低.实验结果表明该运动规划方法能够为机器人辅助...     

基于遗传算法的机器人自定位

为了解决中型组比赛环境下的足球机器人自定位、绑架和跟踪问题,提出一种基于遗传算法的机器人连续自定位方法.首先,从全景图像中提取出场上黑线与机器人辐射线的交点;然后,把该交点与环境地图对应黑线间距离之和的最小值做为适应度函数;最后,以机器人中心坐标做为个体,进行选择、交叉和变异操作,收敛到机器人的自定位坐标.另外,针对绑架和连续定位,在遗传算法全局自定位基础上利用梯度优化算法局部修正主位姿,提高了自定位精度和算法的鲁棒性.仿真结果和场地环境机器人自定位试验说明了该定位方法的有效性.     

融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究

针对现有穿刺手术机器人远程中心运动(RCM)无法兼顾安全性、精准性及空间有效性的问题,提出结合RCM机构和多自由度串联机械臂,研制一款混联式穿刺手术机器人系统。首先,基于双平行四边形机构设计机器人末端RCM执行机构,用于保证穿刺手术过程中远程中心运动的精度与安全性;然后,结合串联机械臂搭建穿刺手术机器人系统以保证较大的工作空间;最后,设计混联式机器人与现有基于主动式RCM约束(ARCMC)的通用串联穿刺手术机器人系统RCM的定位精度对比实验。结果表明,与基于ARCMC的机型相比,所设计穿刺辅助机器人系统的远端中心俯仰运动和翻滚运动位置误差分别降低了52.6%和59.7%,且其工作空间也远高于基于被动式RCM约束(PRCMC)设计的穿刺手术机。由此可以证明所设计的混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好。     

CT导航下的机器人辅助穿刺定位方法

针对机器人辅助穿刺中病灶定位系统价格昂贵、穿刺针全向定位机构结构复杂等问题,分别提出了CT导航下病灶定位方法和穿刺针全向定位方法。基于坐标变换理论,病灶定位方法由3个不共线标记点在CT和机器人坐标系的坐标数据辨识出2个坐标系之间的位置关系,然后由CT下的病灶坐标实现病灶在机器人下的定位。全向定位方法结合病灶的定位结果和机器人运动学,通过软件控制实现穿刺针在调整自身姿态时仍始终指向所定位病灶位置,为病灶穿刺提供安全的进针点和入刺角度。搭建含UR机械臂的6-DOF辅助穿刺系统,并在CT导航下对患者模型进行病灶和穿刺针的定位实验,实验结果表明:病灶定位误差在3 mm以内,与基于5个标记点的最小二乘病灶定位法精度相当,但定位效率提高约40%,其中病灶定位方法计算误差为1.43 mm,证明利用软件代替复杂机构的穿刺针全向定位方法是可行的。本文建立的病灶及穿刺针定位方法有效、准确,可为后续病灶自主定位和穿刺针路径规划提供理论基础。     

机器人辅助靶向穿刺手术关键技术综述

以柔性针为穿刺工具,针对软组织建模理论与方法、针穿刺路径规划、呼吸运动抑制与同步跟踪、穿刺导航与靶点追踪控制等手术关键技术,综述国内外机器人辅助针穿刺技术领域的研究现状。指出穿刺手术目前存在的技术难点:穿刺路径的快速、最优规划和穿刺针的精准控制。提出针-软组织相互作用建模、不确定性和复杂约束条件下的穿刺控制以及穿刺针末端力感知问题是机器人辅助靶向穿刺领域未来的研究方向。     

基于AMESim和ADAMS联合仿真的核磁兼容机器人气动控制系统

针对核磁共振成像(MRI)导航手术机器人的研究,搭建了电磁比例阀气动控制系统,建立了系统的数学模型,并分别利用D-H(Denavit-Hartenberg)矩阵法和矢量法进行了运动学的正逆解分析.利用AMESim建立了PID控制下的气动控制系统模型,ADAMS建立了机器人动力学模型,发挥两者优势进行联合仿真,并结合搭建的手术机器人实验平台进行了针刺实验验证.仿真和实验结果均验证了系统理论模型的正确性和PID控制器的有效性.     

基于WRV的室内移动机器人定位系统

针对W(WLAN,Wireless Local Area Network)、R(RFID,Radio Frequency Identification)、V(Video)技术在室内定位的特点,提出了基于WRV信息融合的机器人定位方法。以概率法为基础,进行了基于Kalman滤波的WLAN机器人定位实验;以增加移动误差补偿的极大似然估计定位算法为基础,进行了基于Kalman滤波的RFID机器人定位实验;以SIFT算法为基础,进行了机器人定位实验;最后研究了机器人多信息融合定位算法并进行了实验。移动机器人定位实验表明:机器人多信息融合定位平均定位偏差为0.381m,减少了WLAN、RFID及视觉系统单独定位时的偏差,定位精度上有了明显的提高,可以较好地满足室内移动机器人的定位要求。     

颅底及面侧深区穿刺诊疗机器人系统及实验研究

针对颅底及面侧深区穿刺诊疗手术在活检、放射性粒子植入、射频热凝等介入过程中的多样化需求,研发了一套多功能外科手术机器人系统.该系统可辅助医生完成放针、植入粒子等手术操作.根据不同的手术需求,设计了三款末端执行器,利用通用接口可实现末端执行器与机器人之间的快速安装与拆卸.提出基于光学导航的混合运动控制方法保证机器人系统的定位精度.通过实验验证了机器人的定位精度,并通过尸体实验验证了整个机器人系统在三种手术中的性能.结果表明,该机器人系统具有较高的定位精度,并可灵活应用于多种手术中,具有一定的可行性.     

The design of the robot assisted magnetic resonance imaging guidance for minimally invasive surgery system

assisted Minimally lnvasive Surgery (MIS) is one of the rapidest developing directiorls in the current surgical reahn. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an optimal imaging modality which was applied in MIS in recent years. By combination of precise positioning to the target by intra-operative MRI guided surgery and dexterous motion by the robot, safe and smooth operation is expected to be peffurmed.An overview of the MR I-guided robotic system for MIS is offered. The design of the intra-operative MR scalmer system is described. The MR-compatible robotic system is carefully desigaled for safety and sterilization issues. This system unifies image information from open MRI, an optical endoscope and conventional vital-sign detectors. It helps and guides the surgeon and other medical staffs so they can make the right decisions. The high-performance manipulator can mimic the movement of the surgeon‘ s hand precisely. And the analysis for active and passive interventional surgical instrument tracking is provided.     

仿人机器人站立到爬梯子转换动作的研究与实现

研究了由平地到竖直梯子变环境边界条件下，仿人机器人由站立到爬梯子的动作转换.为提高机器人上梯子过程的稳定性，机器人首先双手抓握住梯子横档作为辅助支撑，在机器人向梯子行走过程中，通过检测双手与梯子横档的接触力大小来调整仿人机器人身体重心相对于支撑脚的位置，从而保持身体的平衡.实验结果证明:该控制策略可有效避免因环境参数误差，外力干扰，以及机器人关节初始角度误差等引起的机器人跌倒问题，从而保证机器人由站立到爬梯子转换动作的顺利进行.     

基于双层协调体系的多移动机器人路径规划方法

针对多移动机器人系统中路径规划全局最优与局部协调的兼容性需求,提出了一种基于双层协调体系的路径规划方法。结合路径组亲和度评价提出改进的免疫协同进化算法并完成全局路径规划,提高了规划效率和全局路径质量;根据初始条件和全局路径信息,判断系统中各机器人可能出现碰撞的位置,提出基于优先级机制的动态窗口法在相应位置附近完成路径的局部协调;最终在全局最优路径基础上实现机器人的局部路径协调避碰。试验结果表明,该路径规划方法使机器人沿全局最优路径行驶时,仍能进行灵活有序的局部路径协调,有效提高了系统的路径规划性能。     

基于图像处理的移动机器人视觉定位方法

移动机器人视觉定位方法,主要是将目标物体的图像像素与移动机器人和目标物体之间的距离联系起来。应用视觉传感器搜寻目标物体,并借助于图像处理技术提取目标物体的特征对目标进行定位。通过计算目标物体图像的像素数,比例关系来确定目标物体与机器人之间的距离。这种方法成功地运用于RIRAII移动机器人上。     

基于改进灰狼算法-BP神经网络的智能巡检机器人电磁兼容故障诊断

智能巡检机器人巡检电力线路时可能受到电磁干扰而影响工作甚至发生故障,为有效地完成智能巡检机器人电磁兼容故障的诊断,提出一种基于改进灰狼算法(improved grey wolf optimizer,IGWO)优化BP神经网络(IGWO-BP)的故障诊断模型.由于智能巡检机器人电磁兼容故障征兆与故障原因之间具有复杂的非线...     

电力隧道机器人巡检目标坐标定位的共轭搜索

电力隧道环境机器人巡检目标坐标定位过程中,利用传统搜索算法会产生信息损失,从而导致搜索定位 结果存在精度不够理想问题。为此,提出了一种共轭搜索算法。该算法通过搭建机器人巡检模型,得到反映机 器人位姿的坐标系,然后通过共轭算子规划设置机器人搜索路径。机器人沿着设置的搜索路径采集实时巡检 图像,并根据特征值识别图像中的目标节点。解算机器人在巡检过程中的位姿,并结合手眼标定和空间坐标的 测量结果,实现机器人巡检目标的搜索和坐标定位。对比实验结果表明,所提出的共轭搜索算法对目标位置的 定位环境风险评价( EＲA: Environmental Ｒisk Assessment) 指标更趋近于0,与传统搜索算法相比具有更好的定 位精度。