自动化21日xx

• 手术机器人

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  • 三维超声引导机器人运动补偿心脏搏动手术

  • 传统上，外科医生在心脏手术中处理心脏运动的方法是停止心脏并使用心肺机泵血和氧合血液。人们对避免使用心肺机非常感兴趣，因为它有严重的副作用。此外，对静止心脏进行手术的结果很难预测。心脏搏动手术可以防止与心肺机相关的疾病，并通过允许外科医生在手术过程中评估修复情况而潜在地改善手术结果。然而，由于心脏运动，这类手术对外科医生来说很难实施。我们已经开发了一种3D超声引导运动补偿系统，它可以跟踪心脏运动，并允许外科医生对跳动心脏的快速运动结构进行操作，而不会有损坏它们的风险。
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  • 实时三维超声指导心内跳动心脏手术

  • 为了在病人的心脏内进行手术(心内手术)，体外循环是必要的，这样外科医生就可以在放松的开放心脏上工作。尽管这项技术是目前的标准，但新的研究发现体外循环有许多副作用。微创手术可以消除对体外循环的需要，从而使外科医生可以直接在跳动的心脏内部工作。不幸的是，由于传统的内窥镜由于血液不透明而无效，目前还没有合适的成像方式来促进心脏内跳动手术。然而，飞利浦医疗系统公司最近的发展已经产生了一种新的实时三维超声系统，它可能使心脏跳动的心内手术成为可能。
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  • 手术中的力反馈:钝性解剖分析

  • 力反馈被广泛认为可以提高机器人手术的性能，但其益处尚未得到系统评估。在这项研究中，我们检验了力反馈对钝性解剖任务的影响。受试者使用远程机器人系统在合成模型中暴露动脉，同时用视频腹腔镜观察手术部位。将力反馈增益75%和150%与无力反馈的性能进行比较。没有力反馈的情况下，施加在组织上的平均力值增加了至少50%，峰值力值增加了至少2倍。损伤组织的错误增加了超过3倍。力反馈对解剖的速度和精度没有显著提高。我们假设力反馈有助于钝性剥离任务，因为动脉比周围组织更硬。这种机械对比的作用是限制受试者的手做出不适当的动作，从而产生较大的力量。

• 外科建模与计划

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  • • 二尖瓣建模:

    • 心脏二尖瓣的外科修复是困难的。修复通常是在心脏搭桥的情况下进行的(也就是说，清空血液，不再跳动)。由于心脏处于这种状态，外科医生很难预测如何修改瓣膜的结构，以便在缝合心脏、重新注入血液并允许恢复跳动时，瓣膜能够正常工作。一个基于患者特定医疗图像的手术计划系统，允许外科医生模拟和比较潜在的修复策略，可以大大提高手术效果。在这样的手术模拟器中，用于关闭阀门的力学数学模型必须能够快速计算关闭状态，并处理由栓住阀门叶的弦所施加的复杂边界条件。我们开发了一种系统，用于从打开的阀门的体积图像数据生成阀门表面的三角网格。然后利用质量-弹簧动力学模型快速计算网格的闭合位置。

• 遥控机器人

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  • 遥操作机器人连杆和关节灵活性的影响

  • 远程操作系统使用户能够与人类无法直接接触的环境进行交互，例如，由于空间有限或距离遥远。微创手术和太空探索是远程机器人操作优势的两个例子。触觉反馈可以提高空间和手术远程操作的任务性能。目前对触觉遥操作的研究假定从机器人具有理想的动力学，即为单质量(或质量加阻尼器)模型。由于机器人的连杆和关节具有灵活性，这一假设在目前的空间和手术机器人中被严重违反。事实上，空间机器人被设计成轻量化和紧凑的，以最小的发射成本和机器人控制期间的能量消耗，因此涉及灵活性。手术机器人有很薄的器械，可以通过端口进入病人的身体，达到最小的侵入性。随着手术器械变得越来越薄(例如，在儿童手术中小于3毫米)，工具灵活性的影响变得更加严重。此外，由于空间限制，远端灵巧手腕的驱动从患者外部执行，并通过柔性电缆传播到手腕，从而引入关节灵活性。在这项工作中，我们系统地分析了机器人连杆或关节灵活性下的透明度和稳定性限制，并研究了在使用柔性从器进行远程操作时尖端传感器提供的额外好处，以及在触觉远程操作中减少或消除灵活性的影响的成本-收益权衡。
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  • 基于远程操作的世界建模

  • 目前，遥操作是机器人在非结构化环境中执行复杂操作任务的唯一方法。在这种控制模式下，操作员执行所有需要的感知和计划，并根据来自远程环境的反馈生成所有的运动命令。在实际的远程操作系统中(例如海底操作、远程手术等)，感官反馈往往限于没有力反馈的视频图像，这极大地限制了灵活性和生产力。我们一直在努力缓解这种情况，通过使用来自远程机械臂传感器的信息来协助远程操作任务。我们推导出了识别远程环境中对象基本的局部几何属性的算法，包括几何、尺寸和方向。

• 组织力学

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  • 肝脏对手术操作的非线性机械反应的表征

  • 计算机辅助医疗技术，如外科训练和计划的模拟器，需要在大变形下软组织行为的准确表示。有限的数据集和不现实的软组织模型目前阻碍了外科模拟的发展。这项工作提出了数据和建模的努力，以实现一个参数具有物理基础的肝脏本构模型。该模型可以预测不依赖于加载方式的肝脏行为。在仿真系统中实现这种基于物理的本构模型可以提供真实的行为，并确保所犯的错误不是来自虚拟环境。
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  • 基于图像的软组织力学表征

  • 传统的材料测试方法，如压痕测试，只能对材料响应提供有限的局部洞察。本项目旨在将三维超声成像与传统压痕检测方法相结合，开发适合于材料参数估计的参数识别技术。通过成像获得的完整变形场估计被纳入迭代有限元建模(FEM)方案，以识别基于物理的非线性孔隙-粘弹性本构律的组织特定参数。

• 机器人抓取与形状沉积制造

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  • 基于形状沉积制造的鲁棒机器人机构和传感器

  • 以生物为灵感的设计的最大成功之一是开发出了机械健壮的机器人。一种很有前途的仿生制造技术是形状沉积制造(SDM)，它可以替代材料沉积和机械加工，生产具有柔性关节和嵌入式传感和驱动元件的机器人结构。我们探索了使用形状沉积制造构建一个简单的双指夹具的好处，并通过开发一系列与该过程兼容的传感模式，为机器人设计师添加了可用的工具。这些包括用于关节角度感知的霍尔效应传感器，用于3轴力测量的嵌入式应变计，用于触觉感知的光学反射传感器，以及用于接触检测的压电聚合物。除了一个简单的施工过程，由此产生的部件是非常坚固的，在高冲击载荷和其他力由于意外接触后完全功能。
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  • 非结构化环境的顺应抓取

  • 顺应性给机器人抓取带来了几个好处。在非结构化环境中，感知的不确定性很大，目标物体的大小和位置可能不太清楚。手指顺应性允许夹持器顺应广泛的对象，同时最小化接触力。机器人关节柔度或刚度通常被考虑在主动控制的背景下，主动控制使用传感器和执行器来实现所需的力-挠度关系。相比之下，通过机器人关节中的弹簧实现的被动顺应，提供了额外的好处，特别是在控制回路延迟可能导致接触力控制不佳的情况下。创建主动遵从性所需的感知需求的减少也可以降低实现成本。
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  • “软的”抓手和虫子机器人

  • 斯坦福大学和加州大学伯克利分校的合作者利用蟑螂的运动特性和新的制造技术，设计并生产了一个以蟑螂为模型的机器人。机器人有趣的特点是一个被动橡胶弹簧连接腿和身体。这个关节，模仿了昆虫的有弹性的、有弹性的关节，有助于在没有感觉反馈的情况下完成对干扰的排斥。我们对该项目的贡献将是一种机械夹持器，该夹持器使用了类似的、具有可变刚度的被动弹簧接头，这将有助于在不熟悉的环境中抓取物体，而无需使用复杂的感官技术。

• 触觉感应及显示

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  • 用于微创手术的远程触诊仪器

  • 我们正在开发远程触诊系统，在微创手术中将患者体内的触觉信息传递到外科医生的指尖。这些新仪器将包含触觉传感器，在操纵组织时测量仪器上的压力分布。来自这些传感器的信号将由一个专用的计算机系统进行采样，该系统将应用适当的信号处理算法。最后，触觉信息将通过触觉“显示”设备传递给外科医生，该设备可以重现外科医生指尖上的远程压力分布。远程触诊技术的发明将增加目前微创手术的安全性和可靠性，并将微创技术的优势带到其他更复杂的手术中，这在今天是不可能的。
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  • 基于RC伺服电机的触觉形状显示

  • 触觉显示器用于向指尖传递小范围的力和形状信息。在这篇论文中，我们提出了一个6x6的触觉形状显示器，它使用商用RC伺服电机来驱动一组机械销。显示器的最大引脚挠度为2毫米，分辨率为4位。引脚间距为2mm，引脚直径为1mm。显示器可以精确地表示频率高达25赫兹的小振幅和被限制在38毫米/秒的大振幅。
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  • 触觉形状显示器

  • 在我们的原型系统中，触觉显示由10个单独驱动的引脚组成，引脚抬高在指垫上。下图是我们的设计图。由于触诊仪器将扫描整个组织，因此选择了直线配置，允许运动提供另一个维度。这也简化了设计。SMA导线用于驱动引脚。当电流加热导线时，导线经过相变并变短，从而将引脚向上推。有了这种设计，每个针可以移动3毫米，并产生超过1 N的力。SMA的一个主要问题是响应时间较慢。我们通过使用水冷却和光学传感器的位置反馈来克服这个问题。图5显示了引脚的响应作为所需位置频率的函数。 The output displacement drops by 30% (-3 db point) at 40 Hz. This satisfies the design specification set by the finger speed experiments.
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  • 振动触觉传感与显示

  • 我们已经开发了用于测量和传输机器人操作、远程操作和虚拟环境中与任务相关的振动的触觉传感器和显示器。振动显示可以使用便宜的开环设备来实现，这些设备可以添加到许多现有的操作系统中以提高性能。除了开发振动传感和显示设备，我们还致力于描述高频振动反馈很重要的各种任务。在检查和勘探任务中，振动的检测可能是任务的基本目标，而在一些操作任务中，振动可以通过减少反应时间或允许最小化力来提高性能。我们还开发了一种用于大容量水下远程操作机器人的振动传感和显示系统，并在海上石油平台上进行了现场测试。

• 生物马达控制

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  • 催眠对脑卒中恢复影响的定量研究

  • 中风后的身体康复需要思想、大脑和身体之间复杂的相互作用。我的研究重点是通过物理治疗过程中运动的生物力学分析、运动控制系统神经变化的医学成像以及作为一种改变中风患者精神状态的手段的催眠来描述这些相互作用。通过将定量方法与整体康复方法相结合，我希望能深入了解脑卒中后身心交互作用如何影响运动恢复。
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  • 人手的机械阻抗

  • 我们已经致力于确定人类如何调节他们的手的机械阻抗以响应任务的要求。研究结果有助于解释灵巧操作中的传感和运动控制策略。我们的方法包括实验测量任务执行过程中手和手指的力-运动关系。这些研究测量了食指在伸展和外展时的阻抗，以及在举起时的精确捏握阻抗。我们还研究了阻抗策略的学习和这些结果在快速任务中的应用，如击鼓。