基于超声引导下的软组织内靶点运动预测模型

由于针穿刺软组织过程中软组织会发生运动,导致穿刺针无法精准穿刺到病灶区。为了提高穿刺手术的穿刺精度,本实验搭建了针穿刺实验平台,建立一种基于超声引导下的软组织内靶点运动预测模型。通过对采集到的超声图像进行二值化、腐蚀、膨胀、去噪等形态学处理后,提取靶点质心。根据对应靶点质心坐标变化得到软组织内靶点运动位移,进而获取模型弹性系数,建立软组织内靶点运动预测模型。验证实验表明:该靶点运动预测模型绝对误差控制在0. 6 mm以内,相对误差在15%以内,具有较强的实用性,能为穿刺路径规划、针体姿态调整及医疗机器人辅助进行针穿刺手术提供理论依据和数据支撑。     

针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模

通过针穿刺软组织实验,得出针穿刺软组织过程中穿刺力随位移变化的数据。在分析穿刺力与位移之间关系的基础上,选取非线性弹簧模型和二阶多项式模型对穿刺力进行最小二乘法拟合,得到穿刺力的力学模型。     

穿刺软组织中针的受力形变仿真和偏差分析

为了提高机器人辅助针穿刺软组织的精度,减小穿刺误差,建立了柔性穿刺针的弹性梁物理模型,提出一种穿刺针受力分析的算法,并通过理论计算和 对模型进行仿真分析,得到了穿刺针元素结点的挠度和偏转角度,并验证了一致性和算法的正确性;通过对针尖施加不同大小的集中载荷进行仿真,仿真结果表明线弹刚性针的形变与施加在同一结点力的大小成线性关系。文中并就穿刺针的穿刺偏差原因,偏差模型进行相应的分析和介绍。     

机器人辅助柔性针穿刺路径的悬臂梁预测模型

路径操控技术是机器人辅助柔性针穿刺的重要技术之一。软组织变形、多层软组织相对滑移和针挠曲是引起靶点位置移动,降低穿刺精度的3个主要原因。该文在研究针受力的基础上,利用柔性针挠曲规律提出了一种预测穿刺路径的悬臂梁模型,通过准静态过程将柔性针分为有限段并将每段都视为一个悬臂梁,从而建立起三维空间中针体路径预测算法。仿真实验表明,该模型能够实现柔性针路径预测功能,为机器人辅助柔性针穿刺路径规划和避障运动提供了理论基础。     

云背景红外天空图像的统计模型与仿真

以实测红外云背景天空图像为研究对像,重点对其傅里叶功率谱、灰度分布等统计特性进行了分析,并通过对功率谱函数和灰度分布函数的拟合构造了目标图像的参数模型.与传统的基于背景红外成像特性三要素的模型相比,本模型参数大大减少且没有冗余信息,更有利于控制和使用.为实际应用的需要和验证模型的有效性,以所构造的模型为基础,设计适当的仿真算法生成了云背景红外天空仿真图像,并对仿真图像质量进行了检验.实验结果表明,使用文中的仿真算法得到的仿真图像与具有相同模型参数的真实图像的相似度大于80%,且具有较强的视觉相似性,证明了模型的有效性.     

基于Trucksim的弯道安全车速模型研究

为提高车辆弯道行驶的安全性,针对汽车弯道行驶中侧滑、侧翻等侧向失稳问题,选用某型商用车为研究对象,考虑车辆悬架的动刚度特性和轮胎的非线性特性等,通过Trucksim软件建立了整车动力学模型,在平直路面上进行了不同弯道半径、不同附着系数与通过车速的交互仿真试验,然后在曲面函数拟合的基础上结合仿真实验数据建立了安全车速与附着系数、弯道半径的数学模型。通过Matlab仿真将本文模型与现有的弯道安全车速计算模型进行对比分析,该模型得到的弯道安全车速值在现有模型的计算值之间,同时在当路面附着系数在上升到某一定值后,通过模型计算出的安全车速值还呈现出车速峰值现象,反映出了通过弯道时的侧翻现象;最后,采用Trucksim软件对转弯半径为250 m、附着系数0.7的弯道仿真,使得出的安全车速值与该模型得到的安全车速值进行对比,本文模型将计算误差从传统计算模型的16%降低到了1.4%,提高了计算精度。该研究为车辆转弯时的侧翻、侧滑评价以及车辆转向行驶的主动安全控制提供了参考。     

基于ABAQUS的柔性针穿刺软组织耦合过程仿真

为了研究介入穿刺手术中针与组织的耦合过程和穿刺对组织形变的影响,通过分析穿刺过程中针杆上力的分布建立了一种柔性针的悬臂梁预测模型,并基于针与组织间的相互作用关系提出了有限元耦合模型的分析方法,结合针的预测模型以及耦合模型在ABAQUS软件中进行了穿刺仿真,对比仿真与实验中组织内设定标志的位移数据,分析穿刺过程对组织形变的影响。结果表明:穿刺过程对组织的形变影响主要是轴向的,针的预测模型结合有限元分析方法在仿真穿刺耦合过程的可行性也通过了验证。该研究结果可以给未来机器人辅助穿刺提供理论参考,也为实际手术提供数据支撑。     

液压四足机器人关键步态参数优化

针对四足液压仿生机器人walk步态中足端轨迹规划问题,提出了通过优化步高和步长这两个关键步态参数来提高机器人行走稳定性的方法。通过聚合交叉的方法进行实验设计,用速度和步长及仿真得到的评价函数值进行三维曲面拟合,用速度截取所拟合的曲面得到不同速度下的最优步长。较优的步高确定采用二分法。步高和步长的优化效果用评价函数和Adams仿真进行验证,其中评价函数的构造充分考虑了表征机器人机身姿态平稳性的多组参数;四足机器人行走的仿真实验表明使用所述方法优化后的步态参数进行足端轨迹规划,得到的机器人静步态具有优异的运动性能表现。      

基于ANSYS的真实软组织物理建模与穿刺仿真

为了提高虚拟手术中手术针穿刺过程的精确性,以真实软组织穿刺实验数据及结果为基础,研究采用基于ANSYS完成典型软组织——肝脏的穿刺有限元仿真.由于人体组织的多样性,软组织生物力学特征的复杂性、不均匀性、各向异性、不可压缩性、非线性-塑性-黏弹性,将肝脏软组织抽象为Mooney-Rivlin材料.结合针受力使软组织变形机理,完成了基于MATLAB对实验和仿真的应力应变曲线的拟合,通过拟合曲线的对照可以得出,ANSYS仿真结果和真实数据应力应变曲线趋势基本一致,验证了肝脏穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.     

正交激励超声切削装置的椭圆轨迹偏转与校正

为研究超声椭圆振动切削（ultrasonic elliptical vibration cutting,UEVC）刀尖轨迹形成及控制,解决刀尖轨迹非正椭圆问题,建立二维正交柔性导波UEVC装置刀尖轨迹的运动学模型;分析90°相位差下非正椭圆轨迹产生原因,建立刀尖轨迹校正模型,并推导出基于正椭圆轨迹下的刀尖轨迹偏转模型。通过实验对刀尖轨迹校正模型进行验证,校正后轨迹偏离坐标轴1.67°,小于校正前偏离角度。实验结果表明,该模型能够有效地校正刀尖轨迹,可在轨迹控制方面为后续研究刀尖轨迹偏转及变刀尖轨迹超声振动加工提供理论基础。     

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Harris角点特征的贴片元件视觉定位算法

为了实现贴片机视觉系统对贴片元件的高精度定位,提出了一种基于Harris角点特征的贴片元件偏转角度与偏移量检测方法.首先对元件图像进行预处理,以改善引脚部分的图像质量,然后标记元件引脚的连通区域,判别元件引脚形状,再通过Harris角点特征提取、分类和直线拟合等得到元件的偏转角度,最后对元件图像进行旋转和放大处理,并进行基于Harris角点特征的图像配准,得到元件的偏移量.检测结果表明,文中算法能够检测贴片元件的偏转角度和偏移量,对偏转角度的检测误差小于0.1°,对偏移量的检测误差小于25μm,满足贴片机对视觉系统定位算法的精度要求.     

高炮弹道仿真系统设计与算法实现

 群小目标飞行特征显控系统利用上位机传送的数据实现弹道轨迹仿真,将仿真结果与理想的弹道轨迹进行比较,判断弹道轨迹精度是否能满足预期的发射要求,评估火力发射技术是否达到预期成果。针对系统中的弹道仿真功能提出了一种三维弹道轨迹插值拟合算法,将三维离散的特征数据分解到射面和炮口水平面2个二维平面,在二维平面分别采用分段三次样条插值算法对离散的特征数据进行插值拟合,再根据插值结果绘制三维弹道轨迹图像。使用VC++ 6.0编写插值拟合程序,通过实例验证拟合出的三维弹道轨迹经过每一个特征点且轨迹光滑连续,满足拟合条件,达到轨迹仿真的要求。     

一个适用于煤岩的新的分形毛管力模型

针对煤岩毛管压力对研究煤层储层结构特征和煤层气开采的重要作用,基于分形理论,依靠"Matchstick"模型代替在常规多孔介质中经常使用的"毛管束"模型并考虑迂曲度参数的影响,提出一个新的毛管压力模型,确定煤岩系统的毛管力曲线。当孔隙分布指数(λ)和迂曲度参数(η)取特定值时,新模型可以推导出常用的Brooks-Corey模型和Li模型。通过压汞法对采集到的中国LZ煤矿的煤岩岩心进行实验测量,得到不同岩心的毛管力曲线的实验数据。最后分别应用常用的BrooksCorey模型,Van Genuchten模型和Li模型以及新模型计算得到的毛管力与不同煤岩实验测得的数据拟合对比,结果显示新模型拟合的效果更好。     

基于自组织拟合的曲面重构与数控加工方法

提出了一种以型值点集合描述自由曲面的数字化模型,据此设计了从密集数据点群重构曲面数字化模型的自组织拟合及重构算法.该算法利用局部规则对测量点群进行自组织拟合,形成型值点集合及局部规则的表达形式,每一个局部区域的型值点集合满足特定的拟合规则,造型和加工时根据局部规则进行插值和刀具轨迹计算.通过仿真对基于二次多项式局部规则的高次曲面的迭代拟合算法进行了分析,以一个实际的人脸模型数据为例,实现了从测量点群到自组织模型的重构和加工,并将其与SDSCAD1.0曲面重构系统进行对比,结果表明:计算简单且稳定性好,编程效率高.     

浅静脉留置针逆向穿刺的临床应用

目的:探讨浅静脉留置针逆向静脉穿刺在临床工作中的效果。方法:对106例不同患者使用浅静脉留置针逆向静脉穿刺留置。结果:操作留置顺利,治疗效果良好。结论:浅静脉留置针逆向静脉穿刺具有临床推广价值。     

光刀自适应灰度加权亚像素中心精确提取

为了提高线结构光三维面形测量精度,提出了一种基于骨架跟踪的光刀法向自适应灰度加权中心提取方法。首先由采集的光刀图像根据数学形态学方法计算得到一组光滑、单向连通的光刀骨架,以骨架为搜索路径,沿骨架法向设置一个有用像素区域。根据骨架法向截面内像素灰度对光刀中心提取影响的重要程度划分不同的灰度阈值,对影响中心提取较大的像素灰度值进行加权平方,最后根据灰度加权重心法计算光刀亚像素中心。分别通过仿真实验与多组真实光刀中心提取实验进行验证,仿真结果表明,本文算法提取到的光刀中心到拟合曲线距离的平均偏差小于0.3像素,标准偏差小于0.03像素,计算时间为87.6ms。实物测量结果表明,用本文方法提取光刀中心时最大偏差距离、平均偏差距离和标准偏差较其他方法最小,提取结果稳定、精度高、鲁棒性好,能得到光顺性较好的亚像素光刀中心线,满足在线测量的要求。     

基于动态系统稳定估计器的机器人变刚度轨迹规划

针对现有基于动态系统稳定估计器(SEDS)的机械臂轨迹规划中无法兼顾运动精度和能量消耗的问题,提出变刚度轨迹规划的方法.首先,采用SEDS对示教轨迹进行拟合,得到从空间任一起点到终点的收敛轨迹.然后,基于人体上肢刚度模型,通过实验得到肌电信号与上肢末端刚度的映射关系,并使用高斯混合模型GMM和高斯混合回归GMR学习示教...     

基于非同质性特征和样条模型的道路识别算法

为了解决道路图像中光照变化、阴影遮挡、噪声、道路边界或标志线不连续等因素导致道路识别方法鲁棒性较差的问题,提出基于图像非同质性特征和几何模型的道路识别算法.该方法将计算得到的图像局部方差与不连续性特征进行融合获得图像的非同质性特征,并利用比例直方图法得到的阈值自适应地对上述结果二值化,然后用鲁棒M估计器估计样条拟合的最优控制点,进而用3点Catmull Rom样条拟合道路边界.仿真实验表明,所提算法具有较好的鲁棒性和自适应性.实地测试结果表明:在存在有少量局部阴影和道路标志线断续的情况下,正确识别率可达到95%以上.     

城市生态敏感区建筑群体高维空间规划建模分析

现有方法对城市生态敏感区建筑群体的规划研究较少，且规划效果较差，为此，提出一种城市生态敏感区建筑群体高维空间规划方法。采用矩形拟合优化方法对生态敏感区建筑群体图像进行处理，基于多尺度特征，对优化后的建筑群体图像进行分割。以分割后的图像为基础，将建筑群体数据转换为高维空间数据，建立建筑规划目标模型，并采用微粒群算法对目标模型进行求解，得到目标模型的全局最优值，完成对城市生态敏感区建筑群体高维空间的规划。实验结果表明，所提方法的建筑图像拟合误差最大不超过2.9%，拟合精度较高，且分割效果优于传统方法，目标模型最优值寻找耗时低于传统方法40%，规划效果评价结果良好。