机器人杂志

机器人杂志2021年第4期

• 机器人辅助微创全膝关节置换手术系统

  张英豪, 李维全, 陈家禾, 宋国立, 齐岩松, 徐永胜, 王君臣

  开发了面向全膝关节置换手术的机器人辅助截骨系统，实现了膝关节解剖结构精准建模、术前截骨路径3维规划、图像配准以及术中机器人可视化导航．采用多模态图像融合与主动轮廓模型分割技术实现了包含关节软骨在内的膝关节自动化建模与可视化；在此基础上采用3维交互技术实现截骨路径的术前规划；术中基于自主研发的双目视觉跟踪系统，采集关节骨表面3维点云与术前3维模型进行形状配准，完成图像空间和机器人空间之间的映射；最后通过视觉导航技术引导机器人完成截骨操作．实验结果表明，机器人系统综合定位误差为0.87 mm，截骨操作误差小于1 mm．

• 基于三角剖分的内窥镜肠道手术机器人体素地图构建方法

  郭文康, 梅剑东, 孙荣川, 郁树梅, 孙立宁

  面向全自主内窥镜机器人诊疗系统，提出一种人体肠道内部结构体素地图构建方法，来实现内窥镜位姿的准确估计，同时构建可以用于手术机器人导航的体素地图．该方法使用单目内窥镜采集肠道内部图像序列，首先基于单目SLAM（同步定位与地图创建）方法估计内窥镜轨迹，同时针对肠道内部结构构建稀疏地图．然后基于稀疏特征点地图，提出一种基于三角剖分的稀疏地图稠密化方案，构建具有稠密几何信息、利于手术器械路径规划的体素地图．分别在模拟肠道和离体猪肠道内进行体素地图构建的实验研究和误差评估，在模拟肠道中直径和病灶尺寸的均方误差分别为1.16 mm和0.81 mm，内窥镜定位均方误差为2.163 mm．

• 基于SMA驱动模块的腕部柔性外骨骼设计

  谢巧莲, 孟巧玲, 曾庆鑫, 戴玥, 吴志宇, 陈立宇, 喻洪流

  针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题，提出了一种基于形状记忆合金（SMA）驱动模块的腕部柔性外骨骼．首先，研究SMA弹簧的最大可回复拉伸长度与相变温度特性，建立SMA驱动模块的SMA弹簧与锰钢片的混合模型．然后，根据人体腕关节运动范围和所需拉力，对该混合模型进行参数优化．最后，提出了一种弹性元件势能、风冷和高低电流切换混合的SMA弹簧冷却方法，设计了基于运动角度和相变温度反馈的控制方法．为了验证腕部柔性外骨骼的实际使用效果，进行穿戴训练和测温实验．实验结果表明，该外骨骼的仿生性和柔顺性符合人体腕关节运动特性，其轻质、便携性可提高日常生活活动辅助效果．

• 下肢助行外骨骼机器人起坐动作下的生物力学分析

  施柯丞, 黄瑞, 程洪, 邱静, 彭知南, 尹文泽

  探讨了下肢外骨骼起坐动作辅助过程中截瘫患者对拐杖产生大压力的原因和解决方法，通过建立人－外骨骼耦合动力学模型，将患者对拐杖的压力作为一个外力引入模型中，探究了踝关节刚度与拐杖压力的关系．为了验证踝关节刚度对减小拐杖压力的影响，设计了外骨骼起坐验证实验，通过调整AIDER下肢助行外骨骼系统踝关节的刚度，观察受试者在整个起坐动作过程中的平均能量损耗和鞋底压力中心位置变化．实验结果显示，调整踝关节刚度后受试者的平均能量损耗降低了45.18%，稳定性提高了34.99%，这表明适当的踝关节刚度可以在下肢助行外骨骼辅助的起坐动作过程中有效降低患者对拐杖的压力．

• 可运动解耦的连续体单孔手术机器人设计与控制

  周圆圆, 王振兴, 王重阳, 黎定佳, 张诚, 郭伟, 张忠涛, 刘浩

  提出一种可拓扑解耦的连续体单孔手术机器人，通过设计中间联动连续体段可以实现多段驱动间的解耦，并且机器人的末端姿态仅取决于远端形变段，实现了位姿分离．基于该运动解耦构形，设计了一种基于空间十字交叉曲面盘的连续体骨架结构来实现具有6自由度的多段连续体机器人，建立了机器人的正运动学，并给出了逆运动学的直接求解法．最后进行了机器人驱动解耦与轨迹跟踪控制实验，经过测试，机器人解耦运动的平均角度误差为2.39o，在20 mm/s的速度及无负载条件下轨迹跟踪误差为1.46 mm．实验表明机器人具有较好的驱动空间解耦能力，并能够基于逆运动学直接求解法实现机器人稳定的运动控制．

• 轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验

  刘王智懿, 郑银环, 孙健铨, 傅睿卿, 王大帅

  针对传统的外骨骼机器人存在的刚性结构、自重大、柔顺性差、穿戴舒适性差等问题，设计了一种轻量型柔性下肢助力外骨骼．该外骨骼通过鲍登绳装置和弹簧装置实现对踝关节的柔性助力，利用驱动系统的“单轮双槽”绕线盘实现单个电机对双腿的驱动，其稳定性通过有限元分析得以验证．在外骨骼的控制策略上，本文在电机系统的传统三环PID（比例－积分－微分）反馈控制的基础上，提出了基于电机转角和转速的PID控制策略和基于踝关节力矩的PID控制策略，通过Simulink和Simscape工具仿真验证了控制策略的可行性．最后，搭建了一台外骨骼样机并进行了性能实验，样机质量仅为3.095 kg，在本文设置的实验条件下，穿戴该外骨骼行走时人体代谢降低了15%，验证了该外骨骼设计的合理性，也表明该外骨骼相比传统外骨骼具有更好的助力效果．

• 人工耳蜗精准植入机器人术像一体化手术路径规划

  王鸿鹏, 申林, 赵辉, 范崇山, 黎正鑫, 郑凡君, 张晨, 韩建达

  针对人工耳蜗植入手术入路的传统方法存在的手术潜在风险高、手术视野受限、手术一致性差等难以解决的临床问题，提出一种以从切口至圆窗的DCA（耳蜗直达路径）最短、植入过程损伤最小为目标的多约束多目标术前规划优化算法．首先对人工耳蜗精准植入机器人术像一体化手术路径规划进行了研究，将基于多模态信息融合技术重建的3维手术视图作为作业空间，利用U-Net分割识别算法进行耳蜗和面神经部分的识别以提供矢量化功能分区与边界信息，通过对笛卡儿坐标系内的CT影像进行3维重建实现多目标多约束规划，遵循机器人人工耳蜗植入手术入路设计规则，推导路径规划算法的公式，对机械臂规划出相应的DCA路径．通过在虚拟仿真平台进行模拟实验，证明了本文方法的有效性和精准性．

• 气动人工肌肉驱动的肘关节辅助机器人迟滞补偿

  秦岩丁, 徐圆凯, 韩建达

  面向上肢康复与辅助运动，研制了一款基于气动人工肌肉（PAM）柔顺驱动的肘关节辅助机器人．气动人工肌肉的迟滞非线性极大降低了系统的运动精度．常见的基于离线辨识的迟滞补偿方法不能很好地适应系统状态的变化．本文提出了一种将直接逆模型法与改进的自适应投影（MAP）算法相结合的自适应迟滞补偿策略：基于直接逆模型法，使用Prandtl-Ishlinskii模型创建系统的逆迟滞模型，并以该模型为迟滞补偿器；使用MAP算法实现逆迟滞模型参数的在线辨识．这种方法无须离线建模与求逆，且无须针对不同的轨迹调节控制器参数．实验结果表明，与PID（比例－积分－微分）控制器与自适应投影（AP）算法相比，该方法有效地补偿了系统的迟滞，暂态过程的调节时间与超调量明显优于前面2种方法，闭环系统能够很好地跟踪阶跃与幅值衰减的正弦信号等不同类型的运动轨迹．

• 绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

  徐晨阳, 张建斌, 陈伟海, 王建华, 方灶军, 杨桂林

  为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差，改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力，提升外骨骼的穿戴舒适度，提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7．首先，介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人，该外骨骼具有特制的穿戴机构，兼具绳驱动设备和并联机构的优点；然后，设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节，建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究；最后，开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上，进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性．实验结果表明，通过采用新的穿戴机构，受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41%，肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30%，穿戴压力最大值降低了约23%，不同部位的压力方差也有较大幅度的降低．

• 基于运动预测的髋关节外骨骼实时助力控制

  徐铃辉, 杨巍, 杨灿军, 张继宇, 王天

  针对下肢肌力衰退群体日常出行需求，设计了可穿戴的髋关节外骨骼，实现对人体日常步行意图的精准感知，并对髋关节的屈曲/伸展动作提供实时助力．为了实现频繁走停条件下的助力时机准确性和规律步行条件下的助力无延时，提出了一种基于混合振荡器的运动预测模型，将步态数据从时域转化为相角域，实现人体步行步态的预测和步态周期的分割，通过相角在线计算助力矩，对髋关节外骨骼进行助力控制．为了消除大助力矩下产生的抖动，对大腿杆上的惯性测量单元进行了解耦布置设计．通过跑台步行实验和自由步行实验，分别验证了髋关节外骨骼对于瞬时速度变化、均匀速度变化的适应性，以及在走停切换、自由随意步行时的适应性和有效性．同时检测和对比人机交互力，验证了带预测能力的自适应振荡器模式能提供更好的助力体验．实验结果表明，基于混合振荡器模型的助力控制策略能够兼顾走停切换条件下非周期步态的助力和规律步行条件下的类周期无延时助力．

• 基于振动触觉反馈的机器人辅助骨曲面铣削

  王景港, 夏光明, 代煜, 张建勋

  在骨曲面铣削时，机器人在控制铣削深度的同时需调整刀具与骨面的夹角来确保手术质量．针对这一问题，本文首先建立了铣刀的振动模型，讨论了铣削时铣刀与骨切面的夹角对铣削振动的影响．其次利用固定在铣刀上的三轴加速度传感器，采集铣刀在铣削过程中的振动信号，并使用快速傅里叶变换从信号中提取出铣刀旋转频率谐波的幅值．然后通过先验实验拟合出切向加速度信号中的一次谐波幅值与深度的线性关系，同时得到轴向加速度信号中的一次谐波幅值随夹角变化的关系，证明这两种谐波幅值可作为控制深度和夹角的反馈量．最后利用PID（比例－积分－微分）控制器和机器人逆运动学提出了基于振动触觉的骨曲面铣削方法．实验结果表明，铣削深度设置值为0.5 mm时，未引入和引入夹角控制方法时的骨曲面铣削深度的均值和标准差分别为0.455 mm ±0.046 mm和0.499 mm ±0.028 mm．所提方法能提高机器人铣削骨曲面的精确度．

• 解剖特征引导软式内镜机器人自主介入策略研究

  江维, 王重阳, 闫斌, 何啸, 崔唤琦, 彭丽华, 杨云生, 刘浩

  以上消化道介入为例，在前期研制的YunSRobot内镜机器人平台上开展软式内镜自主介入策略研究．基于Faster-RCNN算法和数学形态学图像处理方法从镜下图像中提取消化道解剖特征，并设计自主化镜体操控和弯曲定向策略实现内镜在上消化道中的自主介入．在高仿真度的上消化道模型中开展了对照实验，结果表明本文方法的介入成功率为100%．与非专业人员主从介入相比，平均耗时从262.01 s降低到197 s，介入力的最大值从11.8 N降到9.6 N．与专业人员主从介入相比，介入力最大值基本一致，仅多耗时34.33 s．本文提出的自主化介入策略可以拓展到呼吸道、尿道等其他腔道的软式内镜介入．

• 人机不确定条件下康复步行训练机器人的部分记忆迭代学习限速控制

  孙平, 单芮, 王硕玉

  为了提高康复步行训练机器人的跟踪精度及安全性，提出了一种带有运动速度约束和部分记忆信息的自适应迭代学习控制方法，目的是抑制人机不确定性及速度突变对系统跟踪性能的影响．在考虑人机不确定性的基础上，建立了康复步行训练机器人的动力学模型．提出了基于模型预测的速度约束方法，通过限制每个轮子的运动速度，约束了机器人的实际运动速度．进一步，利用受约束的运动速度建立了动力学跟踪误差系统，提出了具有部分记忆信息的自适应迭代学习控制器设计方法，并验证了跟踪误差系统的稳定性．仿真对比分析和实验研究结果表明，文中提出的控制方法能抑制人机不确定性并使康复者在安全速度下完成步行训练．