一个面向可变形模型实时有效的接触反馈框架

由于力反馈需要很高的计算速度及变形反馈需要详细的图形信息 ,本文提供一个实时有效的接触反馈框架 ,通过在粗糙三角形网格上进行局部细分来实现。当检测到接触后 ,将发生碰撞的表面细分以产生一个粒子系统。利用此粒子系统 ,用近似速度锥理论对形变进行模拟。同时 ,采用弹簧 -阻尼模型计算形变力。最后 ,对此框架进行了测试并实际应用于一个医疗规化仿真系统。     

一种应用于手术导航的双目立体视觉系统的标定方法

本文采用基于平面标志物进行标定的方法，对手术导航定位系统中的CCD进行了标定．获得了正确的摄像机参数。实验结果表明，尽管源图像存在严重的非线形畸变，使用本文中的畸变校正的方法，仍然可以获得无畸变的理想图像。     

基于模板识别的高精度自动定位系统

为满足机器人辅助 医疗手术中高精度自动识别物体的需要,利用Bumblebee 2 摄像头拍摄图像,把黑白交互的椭圆和圆作为一个模板,用改进的角点提取方法提取出图像中的角点;在对图像进行增强之后,利用模板黑白格的几何对称性特征提取模板中的角点,然后区分出椭圆中的角点和圆中的角点,最后利用向量垂直关系提取出椭圆中的目标角点,识别出模板.通过Bumblebee 2自带的深度函数,提取模板的深度,得到模板在摄像头空间中的坐标,达到高精度自动定位物体的目的,克服传统摄像机需要标定内外参数的步骤.实验表明,定位误差在0.42 mm之内,基本上可以满足手术的要求.     

基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿

为了提高一种具有远程运动中心(RCM)机构的眼内手术机器人的定位精度和稳定性,在建立机器人坐标系的基础上,通过动力学等效,对机器人各构件质心瞬态位置进行分析。根据拉格朗日方程建立机器人动力学模型。提出基于计算力矩法的重力补偿方法。在此基础上,通过MATLAB/Simulink软件对重力补偿模型进行仿真。比较独立比例微分(PD)控制方法及重力补偿方法的各关节运动响应曲线,表明重力补偿模型可有效补偿重力项;同时,分析重力补偿模型响应曲线与期望曲线的误差,证明重力补偿模型具有较高的补偿精度和可行性。     

基于四面体网格的软组织位置动力学切割仿真算法

为满足虚拟手术中软组织变形与手术模拟的真实性和实时性要求,提出了一种基于四面体网格和位置动力学的软组织切割模拟算法.首先,本算法以四面体作为软组织几何模型的基本操作单元,物理模型采用位置动力学模型驱动软组织变形,四面体网格的凸包形成软组织的外表面.其次,本算法对位置动力学模型进行了扩展,支持了模型拓扑改变的情况,使其适用于软组织的切割模拟.再次,利用支持纹理信息的四面体网格作为几何模型,能生成细节丰富的切口.最后,在该算法上实现了力反馈设备的应用,增加了切割过程中的触觉模拟,增强了虚拟手术中手术环境和过程模拟的真实性.实验表明:该模型能提供真实和高效的变形模拟,并具有较高稳定性和可操作性.本算法目前已应用在北航虚拟现实技术与系统国家重点实验室开发的医学手术模拟器上.合作医院在使用模拟器进行的腹腔镜检查手术方面已经做了前导性的研究,医生对模拟器评价也较高.      

CT导航混联医疗机器人灵活性研究

总结了目前医疗机器人灵活性的分析方法,基于服务球的数值法,对5R串联机器人和4H并联机器人进行了灵活度计算,得到了各自的任务灵活度.针对9-DOF冗余度串并混联医疗机器人运动学的复杂性以及难以获得逆解的解析解的状况,给出了串联部分、并联部分的位移流形,推导了混联机器人的位移流形.提出了混联机器人的灵活性分析方法,即基于位移流形(黎曼流形)的方法,并定义了混联机器人灵活度的通用解析表达式.基于黎曼曲面外接椭球面的面积计算,得到混联机器人的灵活度超过了CT导航手术所需的灵活度,满足手术要求,为微创外科混联机器人灵活性分析和度量提供了新的参考.      

Modeling and Algorithm Application of Weapon Assignment System

In order to improve weapon assignment(WA)accuracy in real scenario,an artificial neural network(ANN)model is built to calculate real-time weapon kill probabilities.Considering the WA characteristic,each input representing one assessment index should be normalized properly.Therefore,the modified WA model is oriented from constant value to dynamic computation.Then an improved invasive weed optimization algorithm is applied to solve the WA problem.During search process,local search is used to improve the initial population,and seed reproduction is redefined to guarantee the mutation from multipoint to single point.In addition,the idea of vaccination and immune selection in biology is added into optimization process.Finally,simulation results verify the model′s rationality and effectiveness of the proposed algorithm.     

微创外科机器人手腕灵活性的研究

为了能够按照手术最佳姿态完成机器人路径规划,从几何角度对微创外科机器人手腕灵活性进行研究.根据微创外科机器人末端工具的结构和安装特点,运用末端工具姿态球解析法分析手腕灵活性.研究工具的预置位姿对手腕灵活性的影响,证明工具轴线与末关节轴线垂直时,二自由度手腕可以获得满足微创手术要求的灵活性.研究关节轴向偏距对手腕灵活性的影响,证明当存在Z轴方向偏距的情况下,末端工具可以实现全方位的姿态.在此基础上,提出了二自由度手腕成为灵活手腕的必要条件.依据这一条件可以简化微创外科机器人手腕结构.     

9自由度混联微创外科机器人的正反解

针对北京航空航天大学机器人研究所最新开发的用于胸腹部冷冻穿刺手术的9自由度"5R+4T"混联机器人,基于指数积公式,利用反变换法和逆矩阵的特性,提出了一种在单约束条件下,得到该机器人解析形式正反解的新算法.通过数值算例验证了正反解的互推性,即算法的有效性,并经过对算例的分析给出了修正方案,扩大了算法的适用范围.该方法克服了因为混联机器人自由度多、结构复杂而带来的难以完成正反解计算的困难,为多自由度混联机器人的运动学求解提供了一种新的思路.