微创手术机器人的刚柔调控技术研究.doc

1.微创手术机器人的刚柔调控技术研究微创手术机器人是现代医学发展过程中的里程碑，它利用精密和灵巧的手术器械代替医生的双手在人体内完成精细的手术操作。人体的解剖环境非常复杂而 且空间极度受限，手术机器人的构型需要借鉴自然界中象鼻、触角等生物特征以实现灵活和柔顺的操作。这类机器人不同于以往手术机器人的刚性关节特征，具有连 续的骨架，能够实现大的形变和复杂的空间形态，特别适合于在人体的腔道中完成各种手术操作。但是临床中手术机器人需要完成拖拽组织、缝合等操作，要求手术 机器人具备足够的刚度以提供完成手术任务的载荷输出能力。现有的手术机器人尚未同时具备灵活操作与任务负载输出两方面的能力。本项目研究能够对手术机器人 的刚度进行调整的创新构型设计，为手术机器人提供新的研究思路。2.基于力反馈和虚拟夹具的水下机器人-操作人员共享控制21 世纪是人类向海洋进军的世纪。认识海洋、开发海洋，需要各种高技术手段。水下机器人（Underwater Robot）是探索海洋空间的最重要手段之一，其发展与探索外太空的空间机器人具有同样重要的意义。人-机器人交互（Human-Robot Interaction）和人机协同（Human-Robot Collaboration）是水下机器人学的重要研究问题，也是机器人学几年来正快速发展的热点研究领域。本项目以具有力反馈功能的手控器作为人机交互接口，在共享控制（Shared Control）框架下，研究水下机器人与其操作人员的协同控制，以期一方面降低操作人员的操作复杂性，一方面提高水下机器人的作业能力。重点基于虚拟夹具（Virtual Fixture）技术，研究和设计共享控制策略和算法；基于Webots软件搭建虚拟环境，并在虚拟环境中将策略和算法进行计算机软件实现，对其性能进行评估。基于研究结果，撰写关键技术研究报告和学术论文各一篇。本项目来源于国家重点研发计划项目，其研究结果在工业机器人、空间机器人、医疗机器人、智能车辆等的遥操作（Teleoperation）和人机协同研究和应用具有重要的借鉴意义和潜在应用前景。3.基于合成孔径雷达算法的太赫兹波雷达三维成像技术太赫兹波雷达在现代军事探测技术应用中具有独特的优势,太赫兹波相比微波波长更短，对目标散射特性刻画能力更强；太赫兹波雷达的载频频率高，更容易发射大带宽信号，从而具有较高的分辨率特性，可以实现更小尺寸目标的探测、更高分辨率的雷达成像、更精确的目标运动与物理参数反演。针对94GHz雷达，运用调频连续波（FMCW）调制方式，实现对小目标的精准识别，并通过合成孔径雷达三维成像算法，实现具有高分辨率的三维图像。探索优化图像处理算法，提升图像分辨率。通过大区域扫描进行数据采集，研究三维数字聚焦方法，提高图像精度。实现三维成像。4.基于视觉和毫米波雷达融合的行人检测技术研究 由于近年来先进传感器技术、计算机视觉技术、人工智能技术和人类计算能力的大幅提升，先进辅助驾驶系统和无人驾驶技术正成为新一代智能汽车研究的重点，行人检测作为该技术的一个重要环节受到广泛关注。行人检测不同于一般的视觉识别系统，面临着检测环境复杂、目标外表多变、遮挡、距离等诸多方面的困难，针对传统视觉检测信息单一、检测耗时长、立体视觉测距时间长的问题，同时考虑到毫米波雷达测距准、全天候工作能力强的优势，课题拟采用视觉和毫米波雷达融合的机制实现行人检测目的，研究的主要内容包括：行人目标的定位，粗提取，特征提取和分类器模型的研究，毫米波雷达和视觉传感器的融合机制，最终实现对路况行人的实时检测与识别，从而为后续的防碰撞系统奠定基础，同时能够促进国内智能汽车行业的发展。5.汽车零部件智能测控装备技术面向我国汽车零部件制造行业装备能力落后，不能满足装配产品柔性批量生产与质量一致性等方面要求，开展汽车零部件自动化装配生产线的研发。应用PLC、伺服、传感、电子、检测、计算机、机器人等相关技术，优化整体设计及系统集成、解决生产线信息监控与数据管理可追溯、装配系统控制和在线故障诊断、自动装配过程中的精密力位混合伺服控制等方面问题，最终实现生产线物流输送系统智能化、装配系统无人化、柔性化、精密化，产品综合性能测试平台多感知化，进而实现对我国汽车零部件智能制造装备技术的全面提升。6.3D工件自动识别与定位方法研究主要应用领域包括自动化装配和表面加工。比如，装配之前需要视觉系统先识别和定位工件，然后机器人执行抓取和放置动作。又如，自动化喷涂之前，也需要先识别工件的型号，并给出姿态信息。此外，该技术还可以推广应用到服务机器人。简单地讲，3D识别与定位是工业自动化的核心技术之一，也是许多智能装配需要突破的关键技术，非常重要。目前，关于3D目标识别与定位(Object recognition and pose estimation)的研究非常广泛，有大量的文献出版。但是，该问题始终没有得到较好的解决，特别得在工业应用方面，还存在许多实际问题，比如鲁棒性、精度、效率等。要求采用微软的kinect传感器获取工件的深度信息，通过与工件的3D CAD数模进行匹配，实现工件的识别与定位。编程语言要求采用C/C+语言。编程软件可以使用Visual C+ 2010或者2008。再与OpenCV和Point Cloud Library等工具包配合使用。也可以使用Matlab软件进行编程实现。识别率达到95%以上。7.机器人化装备技术近年来，随着装备制造业的飞速发展，对装备制造过程自动化提出了越来越高的要求。尤其是在高铁机车和飞机等大型装备的装配制造过程中，需要对许多大型零部件进行快速准确的吊装。目前对大件的吊装主要采用桥式起重机，该装备用于大件装配主要存在以下问题：吊装稳定性差，难于准确定位；吊装速度慢，难于消除吊运过程的工件惯性影响；主要依靠人工操作，难于实现自动化作业。基于并联柔索的吊装机器人属于机器人化装备，具备了机器人的作业精度高、作业速度快及易于实现自动化作业等特点，在大件自动化装配领域有着很好的应用前景。在过去的20多年中，以美国国家标准与技术研究所（NIST）为代表的多家机构已经开始尝试将该项技术应用于重在吊运，但是受限于行业需求的迫切性不够强烈和该类机器人对大基座空间的需求，该项技术在制造业生产领域还没有较为成熟的应用实例。因此，本项目面向我国提升装备制造业能力的背景，针对大型装备装配制造过程自动化需求，提出研制基于并联柔索吊装机器人技术的课题。拟通过机构构型的研究与设计，实现小基座尺度的较大范围六自由度运动能力；拟通过关键结构设计，提高机器人的结构精度，实现高精度作业。8.彩色3D打印机的研制项目针对教育、文化创意、消费品等领域的需求，基于目前广泛应用的低成本的熔融沉积成型技术（FDM），融合软件开发技术，开发自调整智能控制，全彩色分层切片与底层控制，高色彩表面吸附材料等关键技术，研制一种适用于多材质、智能化的低成本FDM全彩色3D打印机。设备：打印尺寸300x320x380mm；全彩色打印；打印精度0.1mm-0.2mm；自动调平、断电续打、材料工艺集成等自调整智能控制功能。软件：研制1套全彩分层切片软件，支持多种扫描轨迹填充策略，具有常规软件相当的计算效率；1套底层控制软件，具有全彩切片文件解析算法和控制算法。9.示教型超高频感应智能焊接平台关键技术研究研究并搭建超高频感应焊接所依托的三自由度运动控制系统；针对所研发的超高频感应智能焊接平台的机械结构，根据电机、传动机构的参数建立焊接头的三维空间运动模型；设计相应的位置模型预测控制器，对预测模型控制参数进行综合整定，以实现焊接头对多焊接点的快速位置跟踪和高精度控制。研究超高频感应加热机理；设计超高频感应加热装置，为感应器提供频率可控的感应加热电源；研究超高频感应焊接的焊接点温度采集方法，设置相应的温度传感器，根据智能焊接台的机械结构特点优化传感器位置；研究焊接温度与焊接质量的关系；以感应加热电源频率为控制变量，焊接点温度为被控变量，建立焊接温度控制模型；设计相应的温度模型预测控制器，对预测模型控制参数进行综合整定，以实现焊接温度快速、高精度控制，从而实现焊接质量的自动控制。研究并搭建自动送丝器的控制系统；研究送丝器故障与其机械结构的关系；针对不同部分的机械结构，研究其故障状态的监测手段，实现该故障的自诊断与报警；研究送丝器机械结构的优化方法，提高自动送丝的可靠性。10.基于智能算法的认知无线传感器网络路径优化问题项目介绍: 无线网络的大规模应用和部署，使得大量的无线设备均工作在免授权的ISM2.4GHz频段，而当传统的低成本、低功率无线传感器网络与其他无线设备共存时，将不可避免地受到严重干扰，这为无线传感器网络的可靠传输带来了新的挑战。认知无线传感器网络结合了认知无线电和无线传感器网络技术，可以实现无线传感器网络对授权频段的动态接入。认知无线传感网络的可靠路由是提升网络传输可靠性的关键，其路径优化问题是一类NP难问题。由于网络的节点数量众多，该问题难以求解。智能算法在求解NP难问题时求解效率高，并且可以有效克服陷入局部最优的问题，在工程领域有着广泛的应用，为本项目的研究提供了很好的研究思路。11.工业大数据与预测型制造工业4.0的到来将把制造模式转变成“预测型制造”。预测型制造可以为用户提供透明化的信息，如生产设备的实际健康状况、衰退轨迹以及剩余寿命等，进而为用户提供预先缓和措施，以防止实际运营中生产力和效率的损失。预测型制造首先通过在生产设备内布放各类传感器装置，采集诸如振动、温度、压力等各种信号，并汇聚设备的历史数据，构成“工业大数据”；而后，基于预测分析方法对“工业大数据”进行挖掘，建立面向不同目标的经验和分析模型，借此实现设备性能的预测分析和故障时间估算。本项目以电磁阀、电动机、变压器等设备中的基础能量转换元件电磁线圈为研究对象，针对其绝缘失效突出的实际问题，研究电磁线圈在线绝缘退化监测策略。首先，以实际电磁阀线圈为样品，借助热加速老化实验，获取具有不同退化状态的样品；其次，对样品展开全方位、多角度的观测与测量工作：1）使用光学显微镜观察样品绝缘层状态；2）借助Keysight公司高精度阻抗测试仪测量样品的高频电学参数；3）基于原子力显微镜获取样品绝缘层材料的机械属性参数。以实验数据为基础，应用基于数据驱动的故障预测与健康管理技术，建立电磁线圈寿命预测模型，为最终实现线圈“自我认知”状态监测奠定基础。12.小型水下自主图像采集机器人研究以大疆无人机为代表的航拍无人机广泛应用，赋予我们俯瞰世界的全新视角。然而水面以下，仍然是无人机看不到的空间。因此具备水下拍摄功能的水下机器人开发成为学界和产业界的热点。由于其在水下考察，水下摄影，潜水娱乐等领域有广泛的应用前景，也使他成为投资人口中的热门话题。在本课题的上一期研究中，已经针对5kg级小型水下机器人的外形结构、控制电路、图像采集等方面进行了设计，在对多种的方案进行尝试后，基本得到了一种比较简单、易于实现的小型水下机器人设计方案，并已经开发了两款试验原型。但由于时间、经验与成本的限制，还有很多问题需要解决，依照对机器人机动灵活，具备通信、录像、识别与跟踪的功能要求，还有以下工作需要完成：优化机器人外形设计；依照电子舱外形设计硬件电路；外壳3D打印及机器人密封、防水处理；PID控制方法与滤波算法研究；基于图像采集系统的目标识别；通过对以上主要问题的研究，设计并调试完成2台原理样机，可实现小型自主水下机器人的水面、水下的定速/定向航行，无线控制，自主目标识别与跟踪等功能，并进行水池试验验证。13.包粽子智能机器人粽子是国人喜爱一个传统食品，好吃却难包，要实现自动包粽子更是不容易。目前的粽子的制作自动化率几乎为零，生产效率低，还存在卫生的隐患。粽子制作的自动化是食品生产企业的一个拦路虎。本项目希望参与的同学勇于挑战技术难题，在技术上有创新突破，最终能够实现粽子自动或者半自动的制作。粽子大小，规格多样，材料不规范，柔软且容易变形，还需要考虑卫生问题，这样的问题用传统的机械上的创新无法实现，在这个项目中需要参与者打破常规思维方式，综合利用自动化，人工智能，机器视觉和大数据分析等技术，在制作工艺方面也需要进一步的创新。通过该项目的实施，能够提高参与者自动化和计算机技术包括人工智能方面的能力，并对推动传统民族食品行业的智能制造做出贡献。14.动物空间记忆神经环路的大数据分析动物如何记住环境中的重要位置？如何形成环境的地图表达？神经科学家的实验表明，动物的海马体和相关脑区的神经细胞具有空间记忆的功能。本项目通过大数据的分析方法，结合统计学和信号处理的理论，设计matlab程序，对细胞的放电数据进行分析，挖掘神经环路的内在奥秘，为研究智能机器人提供依据。15.可重构模块化空间机械臂构型研究天舟一号任务的顺利实施，标志着我国载人航天工程第二阶段完成，距离我国建成近地载人空间站的目标更近一步。空间机器人系统目前已应用于空间站大型舱段在轨组装、来访飞行器捕获与对接、货物搬运、辅助航天员舱外活动等任务。加拿大、日本、欧洲、美国等较早开展了空间机械臂的研究工作，并基于航天飞机、国际空间站等平台开展了大量的在轨试验和工程应用，积累了丰富的技术能力和应用经验。目前国际空间站使用的加拿大SSRMS，除此以外，国际空间站还