摘要：针对滚动轴承早期故障的诊断问题,提出了SVD分量包络检测方法。该方法首先利用奇异值分解对一维采样时间序列进行高维空间重构,然后寻找到包含故障特征信息的子空间。再对子空间逆变换得到的分量信号进行包络分析,得到该包络信号的频谱并在该频谱中检测到滚动轴承的早期故障特征。仿真和工程实验结果验证了所提方法的有效性。

摘要：研究了二维Duffing振子在绝热近似条件下的随机共振特性,针对大参数条件,提出二维Duffing振子的大参数随机共振,并探讨二维Duffing振子变尺度随机共振和参数调节随机共振的关联性,揭示大参数条件下Duffing振子随机共振检测特征信号的机理,扩展其在微弱信号检测领域中的应用.

摘要：针对岩石掘进机在复合岩层掘进时地质条件多变、刀盘受力复杂的问题,建立了岩石截面圆分层模型,基于滚刀受力模型,构建了刀盘载荷描述方程。分析了刀盘受力分布特征,着重研究了岩石单轴抗压强度、分层比对刀盘动态掘进载荷的影响以及推力-扭矩之间的复杂耦合关系。结果表明:刀盘上滚刀受力随着安装半径增大而减小;随着岩石强度的增加,刀盘的推力、扭矩增大;随着分层比的增大,刀盘的推力、扭矩减小;当分层比为0.5时,刀盘的径向力和倾覆力矩最大;分层比一定时,两种岩石单轴抗拉强度相差越大,径向力和倾覆力矩越大;对于给定的岩石成分,刀盘推力和扭矩近似呈幂函数关系。通过对比秦岭隧道TB880E施工数据,对提出的计算方法和结果进行了验证。

摘要：机器人辅助输尿管软镜术可以显著提高泌尿外科医生的手术执行能力.然而,由于人体自然腔道生理约束,导致输尿管软镜在手术过程中存在明显的末端运动偏差,影响手术效率,增加手术风险;同时输尿管软镜末端空间狭小,难以安装可检测末端运动偏差的传感器.针对以上问题,提出了一种基于视觉反馈的输尿管软镜末端运动补偿策略,以霍夫圆检测为基础,自动提取输尿管软镜的视野作为感兴趣区域,降低计算负担;同时,针对输尿管软镜的成像特点,对视野中特有的梳状结构干扰进行了频谱分析和消除.在此基础上,结合ORB算法提取图像信息,通过对前后两关键帧之间的空间关系进行几何描述并求解,得到输尿管软镜末端的角位移.该角位移与输入运动指令之差即为输尿管软镜末端运动偏差,并据此建立了输尿管软镜运动补偿策略.最后借助输尿管软镜机器人样机,利用实验手段对上述过程进行验证,结果显示,输尿管软镜末端的角位移平均计算时间约为21.32 ms,平均计算误差0.33°,最大计算误差1.90°.使用所提运动补偿策略前后输尿管软镜末端运动状态的对比实验结果表明,该运动补偿策略平均补偿误差约为2.17°,最大补偿误差为3.29°,可以显著减少输尿管软镜末端的运动偏差,并具有较好的实时性.

摘要：机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术能够显著提高外科医生对手术的执行能力.然而,现有的机器人主从遥操作模式下所存在的不足之处(如手眼协调性差、可视空间狭窄、力反馈信息的缺失等)容易导致医生产生过度操作而引起机器人执行机构的碰撞干涉(包括机械臂之间的碰撞干涉及内窥镜杆与手术器械杆的碰撞干涉)和手术器械末端脱离手术视野,由此带来的安全性问题不容忽视.本文提出了一种基于虚拟夹具的微创外科手术机器人空间运动约束方法,以"MicroHand S"机器人系统作为应用平台,在进行机械臂构型及运动学分析的基础上,针对上述问题展开研究,通过构建碰撞干涉检测模型实时监测机器人执行机构之间及机器人与环境物体之间的相对距离,并设置相应的安全预警区域,采用人工势场与虚拟代理点相结合的方式对机器人执行机构的运动空间加以限制,从而达到对医生的操作动作进行合理的引导与约束,提高手术效率与操作安全性的目的.该方法无需构建复杂的几何模型,虚拟夹具的定义方便快捷,对于其他主从操作模式下的微创外科手术机器人系统及类似的人机交互环境具有普适意义.最终的虚拟仿真实验结果表明,在有、无虚拟夹具两种操作环境下,实验参与人员的表现有着明显的差异,从而验证了所提出方法的有效性.

摘要：自然腔道手术是经过自然体腔进入人体进行诊断的一种新型手术模式,手术过程中使用的柔性微创手术器械的运动精度检测对术中操作质量具有重要意义.在复杂的自然体腔环境下,针对丝传动柔性手术器械存在末端控制不稳、腔内操作受限的问题,提出了一种非接触式运动精度检测方法.该方法以自然腔道手术器械为研究对象,基于光学成像原理及图像处理方法检测手术器械的位置信息,具有通用性和易操作性.在此基础上进行固定角度摆动的单目运动精度检测实验,发现获取目标的位置坐标具有分布趋势,因此在单目检测的基础上,增加光轴垂直布置的相机,改进了获取目标位置坐标的计算方法,搭建采用双摄像机的优化测量实验平台.与单目视觉检测相比,优化实验水平方向的平均精度从±1.19 mm提升到±0.85 mm,方差从0.04减小为0.02;竖直方向的平均精度从±1.28 mm提升到±0.90 mm,方差从0.07减小为0.04,说明测量结果彼此波动的程度减小,可以直观地对器械运动精度进行评价.最后,通过提出精度影响指标w验证了图像处理过程的稳定性;通过全局误差点分布箱图说明了改进后的算法对相对误差点的集中化,进一步说明此方法优化提取数据,对运动精度检测具有可行性.

摘要：连续体机器人由于具有高灵活度的特点,被广泛用于微创外科手术、航空、核工业等领域.针对连续体机器人在狭窄、受限环境下的建模误差导致控制精度较低的问题,提出了一种基于无模型自适应控制(MFAC)的连续体机器人末端位置控制方法.首先,对连续体的运动学模型和基于模型的控制方法(MBF)进行了研究,分析了建模误差对连续体机器人运动精度的影响;随后根据连续体机器人的驱动输入与位置输出,实时估计连续体机器人的伪雅可比矩阵,以减弱迟滞、模型误差、外部负载等干扰带来的影响;最后在连续体机器人平台上进行了轨迹跟踪实验,探究了自由状态下连续体机器人末端点的轨迹,随后改变轨迹参数使连续体机器人在不同半径的圆轨迹和不同顶角大小的三角轨迹下进行了轨迹跟踪实验和实验结果比较,并将本文所提出的方法与常见的基于模型的控制方法进行了比较,证明了本文方法具有较好的精度与抗干扰能力.实验结果表明:连续体机器人沿着半径为40 mm的圆形轨迹及其内接三角轨迹的均方根误差的平均值分别为2.31 mm和2.448 mm,具有良好的控制精度,且在运动过程中均方根误差值保持稳定;本文方法的轨迹均方根误差随着连续体运动范围增大而增大,运动精度保持在可接受的范围内;本文方法与基于模型的控制方法相比,可很好地抵抗外部干扰,提高连续体机器人的控制精度.

摘要：机器人辅助微创外科手术(RMIS)技术可帮助外科医生有效克服传统微创外科技术的不足,提高外科医生对手术的执行能力,其所带来的良好的临床效果已被广泛接受.对于机器人来说,术前规划工作相对于传统微创外科手术更为复杂,合理的术前规划可以有效避免机器人末端执行器之间的相互干涉,提高机器人辅助微创外科手术的可操作性、可达性和可视性等,这对手术效果至关重要.本文将微创外科手术规划临床经验与机器人操作性能知识相结合,提出了一种基于多目标粒子群优化算法(MOPSO)的术前规划方法,从机器人有效工作空间、碰撞干涉检测、机械臂与器械末端运动灵活性及手眼协调性几个方面入手,对机器人进行综合性的定量评价,并以此为依据通过计算求解得出以合理的患者体表手术切口位置与机器人初始设置位置为主要目标的方案.为验证该方法的有效性,以机器人辅助腹腔镜胆囊切除术为实验范例,应用"MicroHand S"手术机器人系统为实验设备,针对同一名病患,将外科医生的经验方案和由算法计算得出的术前规划方案进行比较分析,其结果证明了该方法的优越性.实验结果表明,由优化算法得到的术前规划方法优势明显,有效地解决了以往仅依靠临床经验进行机器人辅助微创外科手术术前规划所带来的问题,提高了手术的安全性和效率.

摘要：水下滑翔机作为一种新型水下航行器,可通过浮力驱动实现多剖面连续运动.由于其强大的续航能力和较高的隐蔽性,被广泛应用于海洋调查和军事探测等领域.商业化水下滑翔机大多由自身携带的电池提供能源,由于电量限制,需开发更低功耗的水下滑翔机.本文基于动力学和流体力学理论,结合水下滑翔机工作流程和单元试验数据,建立了Petrel-Ⅱ水下滑翔机的单剖面能耗模型,海试数据表明,模型计算误差仅为实际能耗的1.3%,.采用Sobol’全局灵敏度分析方法得到了航行参数和设计参数对水下滑翔机能耗的1阶灵敏度和总灵敏度.结果表明,滑翔机下潜深度h、俯仰角度θ和航行速度V对单剖面能耗影响有着重要影响,其1阶灵敏度系数分别为0.388,8、0.227,2和0.138,0,总灵敏度系数分别为0.478,0、0.301,2和0.247,2.滑翔机纵向力系数Cx和横截面积S的灵敏度处于中间水平,其1阶灵敏度系数分别为0.044,0和0.034,5,总灵敏度系数分别为0.081,8和0.066,5.浮力驱动点位置lb、滑翔机总重G和垂向力系数Cy的1阶灵敏度系数和总灵敏系数均接近零,其值的波动对水下滑翔机单剖面能耗几乎不产生影响.

摘要：机器人辅助远程手术是将微创手术机器人技术应用于远程诊疗,有助于解决我国医疗资源分布不均的现状.基于腹腔微创手术机器人技术及远程控制需求,搭建了远程控制平台.利用最新H.264视频编解码技术及高效视频压缩/解压缩设备解决图像传输延时问题,并采用TCP/IP传输协议与上位机校验机制相结合的方法,保证远程控制数据的准确性与可靠性.结合现有MicroHand微创手术机器人与已开发远程控制平台在北京和天津之间建成机器人辅助远程微创手术示范环境.在远程手术机器人系统集成基础上开展两地之间多个时段网络环境测试及远程套环实验.经测试,两地之间控制信号单向平均网络延时最大为12.3,ms,系统双向总延时最大为302.6,ms,数据包丢失比率最大为4.10%.套环实验表明,所开发远程控制平台具有较好的主从控制性能以及远程可操作性,可进一步开展远程手术系统开发.