基于光纤光栅传感阵列及双目视觉的内窥镜三维显形系统的研究

内窥镜柔性杆在体内的形状显示是一种新型的技术,在这种技术的帮助下,当病人的结肠处于一种不正确的位置上或者说在进境的过程中内窥镜柔性杆的形状形成了扭曲,而形状扭曲会导致内窥镜检查的不安全陛,如果预先知道这种状况的发生,就能给诊断带来安全陛.本文主要研究了一种基于光纤光栅传感阵列的内窥镜柔性杆的形状及双目视觉的内窥镜镜手柄部分的姿态检测方法,这两种方法的集成构成了整个内窥镜的显形系统.详细的分析包括基于光纤光栅传感器信息的检测原理以及空间曲线重建算法,内窥镜手柄部分相对于世界坐标系的位姿估计.实验结果证明了提出方法的有效性.比较以前的研究,形状重建的精度已经提高到了4.5mm.通过加入内窥镜手柄的位姿检测,整个三维形状显示子系统变得更加有效和更实用化.     

FBG细径形状传感器的应变传递和精度实验

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用,如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等,其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度,本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面,形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明,封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加,黏结层外径的增加对其影响不大,验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中,改进了FBG形状传感器的形状重建算法,末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。     

基于FBG传感网络的新型内窥镜形状实时检测系统

通过基于光纤光栅(FBG)传感网络的内窥镜空间形状实时检测系统的搭建,提供了一种新型的内窥镜形状的感知手段。针对内窥镜形状感知的具体要求,进行了光纤光栅大曲率传感器原理研究以及微小尺寸光纤光栅传感网络设计。在不改变内窥镜的结构的前提下,将光纤光栅传感网络介入其固有手术钳道,通过传感网络感知内窥镜上多个离散点空间曲率变化,利用离散曲率形状重建算法重构出内窥镜形状。在此基础上搭建了智能内窥镜实时形状感知系统,给出了数据处理方法和动物试验结果。     

车刀安装位置造成的工件形状误差

车削加工过程中,影响工件形状误差的因素很多,对由机床精度、工件的装夹方法、加工工艺、车刀磨损等原因造成的形状误差,一般比较重视。其中车刀安装位置对车刀的前角、后角、主偏危、副偏角和刃倾角有很大影响,车刀安装位置的变动能显著改变切削力,而影响加工精度也是比较清楚的。但对车刀安装位置能够在一定条件下,影响工件的形状误差,这点一般认识不够清楚,进而造成工件在制造,检验     

渐进式内窥镜形状的感知和重建

给出并分析了一种内窥镜镜体形状感知系统,特别是给出了曲率传感头的检测原理,及介入装置和控制子系统的设计.将中心波长为1539.234nm和1538.882nm的两根布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)封装在细径基材上,构成直径为3mm应变测量传感器.在介入装置作用下,传感器沿内窥镜活检钳道按平均速度30mm/s间歇式推进,并在介入过程中,每隔50mm等间隔距离采样传感器上的Bragg波长变化值,推算出各点的应变和空间曲率信息.最终运用基于离散点曲率信息的空间曲线拟合方法重建内窥镜镜体的空间形状.实验结果表明:系统原理的可行性,对圆形实验模型的测试表明,传感器插入1000mm后其末端在x、y和z方向上的误差分别为0.5mm、0.8mm和-3.4mm.同时也表明:介入人体的肠道内窥镜形状显示可极大地提高内窥检查安全性.     

非正交FBG柔杆空间形状重构误差分析及标定

为了提高FBG柔杆空间形状感知系统的重构精度,提出了一种利用3根FBG阵列、具有温度补偿特性的非正交FBG柔杆检测方法。在分析传感系统的误差组成、产生原因的基础上,建立仿真模型得到了各组成误差分别对系统空间形状重构精度的影响,得出减小安装角度误差是提升精度的关键。利用待标定参数与标定方向与实际检测方向夹角大小相关的原理,给出了一种修正安装角度误差的标定方法。经过实验证明,该方法使得系统形状重构最大相对误差降为0.25%,为高精度的三维形状感知系统提供了可靠的检测方法。     

用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合

以光纤布拉格光栅(FBG)曲线传感器在结肠中的形状检测为背景,提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先,将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金(SMA Styrene Maleic Anhydride)基材周围,形成一根直径为3mm,长度为900mm的光纤光栅曲线传感器。接着,将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值,并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差,从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明:使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较,结果显示:在接近光纤光栅应变极限的情况下,使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差,为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。     

面向连续体机器人精密操作的多芯光纤三维形状与位置测量误差研究

针对复杂封闭空间精密操作中连续体机器人三维形状与位置高精度测量问题,提出基于多芯光纤形变传感方程与三维形状重构算法的误差分析及校正方法。基于多芯光纤传感结构特征和三维空间几何变换原理,推演建立了多芯光纤三维形状与位置测量的关键方程和算法。采用关键模型算法驱动方法,系统性地分析了传感光纤关键参数误差、信号解调误差、传感方程与重构算法误差、环境温度变化等对测量精度的影响,确定了主要误差源及其定量影响程度。通过误差溯源,建立了测量系统关键参数标定与误差校正方法。构建了七芯光纤测量实验装置,实验验证了方法有效性。研究结果表明,所提方法可实现系统测量误差溯源、定量分析与校正,有效提高多芯光纤三维形状与位置测量精度,在连续体机器人精密测量领域具有应用价值与前景。     

测量飞机油箱油量方法的研究

文中针对飞机上采用线性电容传感器测量复杂形状油箱中的油量问题,建立了复杂形状的规则油箱和不规则油箱的数学模型,从理论上详细地分析了电容式传感器测量燃油时产生的姿态误差,提出计算姿态误差的方法及减小姿态误差的修正方法,最后提出了在姿态误差最小的准则下确定传感器的最佳安装位置.该研究对提高油量测量系统的精度具有重要的意义.     

专用机床夹具的安装方法及其安装误差

影响工件加工精度的因素有四个方面：①定位误差△D。②夹具安装误差△A。③对刀调整误差△r。④加工方法误差△G。由于机床夹具的装配和夹具在机床上安装时的位置不准确而引起的加工误差是夹具安装误差。夹具的安装方法不同其产生的安装误差也有所不同。安装误差的计算方法一般是采用极限位置法。下面介绍几种常见的专用机床夹具的安装方法及其安装误差。     

光纤光栅曲线重建算法中的曲率连续化研究

在医疗内窥镜形状检测方面,传感器的定位精度对病灶的诊断和手术方案的制定起到了关键性的作用。本文在基于利用大长度的光纤光栅曲率传感器进行形状重建的方法上,对抛物、正弦和反正切形式下的理论曲线和实际曲线弧段中的曲率连续化方法进行了优化性研究,提出了三次样条曲率连续化方法。经过实验数据分析得出在算法优化后,对接近光纤光栅弯曲极限的实际曲线弧段中,X、Y方向上使用三次样条曲率连续化法后的坐标点平均拟合精度能够相对提升4.8%和2.2%,成功对二维曲线重建进行了精度改进。同时,曲线的重建响应时间为19 ms,能够满足实时性要求。     

基于传感器联合测量的车载POS精度检测系统设计

POS系统是移动测量系统的重要组成部分,其位置姿态精度一直受到广泛关注。结合全站仪、激光跟踪仪、GNSS授时装置等传感器,设计了动态精度检测系统,开展了POS系统动态精度检测方法研究。主要采用单次测量时间统计、平滑曲线拟合等方法探测检测系统的测量误差,并在误差剔除的基础上,结合ICP算法,利用跟踪仪高精度测量数据,对全站仪数据进行修正,提高检测系统整体测量精度。最后,在某实验区,进行车载POS系统动态跟踪实验,分别采用整体轨迹对比和实时点位对比方法进行POS系统事后处理精度检测和实时导航精度检测。实验结果表明:采用该种检测方法,动态检测系统能检测出POS实时和事后处理的动态定位精度。     

基于平面散乱点集的曲线重建算法

在反求工程中,基于散乱数据点的曲线重建研究有着重要的意义。本文给出了一种基于投影的移动最小二乘(MLS)曲线重建方法。首先快速搜索散乱点的K邻近,并引入相关性概念,应用MLS法细化散乱点集,最后通过排序和简化重建曲线。实验表明,细化点集准确地反映了数据点的形状和走向,拟合效果良好,效率较高。本文算法可应用于运动曲面重建中的轮廓线拟合。     

An adaptive feedrate scheduling method of dual NURBS curve interpolator for precision five-axis CNC machining

Non-uniform rational b-spline (NURBS) tool path is becoming more and more important due to the increasing requirement for machining geometrically complex parts. However, NURBS interpolators, particularly related to five-axis machining, are quite limited and still keep challenging. In this paper, an adaptive feedrate scheduling method of dual NURBS curve interpolator with geometric and kinematic constraints is proposed for precision five-axis machining. A surface expressed by dual NURBS curves, which can continuously and accurately describe cutter tip position and cutter axis orientation, is first used to define five-axis tool path. For the given machine configuration, the calculation formulas of angular feedrate and geometric error aroused by interpolation are given, and then, the adaptive feedrate along the tool path is scheduled with confined nonlinear geometric error and angular feedrate. Combined with the analytical relations of feed acceleration with respect to the arc length parameter and feedrate, the feed profiles of linear and angular feed acceleration sensitive regions are readjusted with corresponding formulas and bi-directional scan algorithm, respectively. Simulations are performed to validate the feasibility of the proposed feed scheduling method of dual NURBS curve interpolator. It shows that the proposed method is able to ensure the geometric accuracy and good machining performances in five-axis machining especially in flank machining.     

基于接触特征的车—人碰撞事故模型构建与分析

接触损伤和接触变形是交通事故遗留的重要信息,车—人碰撞事故数值再现通常采用标准体形的假人模型和基于椭球体简化的刚体汽车模型,导致车、人接触位置数值仿真结果与真实事故场景存在较大差异,同时,当车速较高时汽车与行人接触部位容易产生过度穿透等问题。以缩放技术为基础,提出基于事故中受害人6大部位体形特征的假人数值模型定制方法。通过材料等效刚度曲线对车身接触部位进行定义,模拟车、人真实接触状态。通过行人与车身等效接触模型的建立,可以提高仿真计算精度,实现计算精度和计算效率的平衡。将上述方法在一起典型的车—人碰撞事故案例中进行应用,仿真结果表明,所得到的事故再现结果精度高、可靠性好,能够满足车辆变形状态下车—人碰撞交通事故过程再现的要求,为交通事故数值再现中的接触问题研究提供了新的思路。     

靶准直传感器封装误差检测模型与修正方法

利用三个面阵电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)构成的靶准直传感器实现柱状腔靶高精度姿态检测时,靶准直传感器中CCD封装误差等因素的存在会给柱状靶姿态检测及定位带来不确定影响,针对此,提出了靶准直传感器的标定模型与实验方法。将直径为0.8mm的微型球靶作为检测参考目标,利用微型球靶在靶准直传感器中不同位置时CCD上成像的图像点来构建位置矩阵,利用位置矩阵,通过归一化线性优化方法求解表示CCD位姿关系的单应性矩阵,通过单应性矩阵修正因靶准直传感器封装误差给柱状靶姿态检测带来的影响。考虑到利用图像检测方法提取微型球靶中心点位置时误差的存在,在构建的位置矩阵中加入均值μ=0、方差σ=0.5的高斯噪声,模拟检测点位置误差对单应性矩阵求解的影响,分析结果显示位置误差对单应性矩阵中各个参数影响较小,从而证明了该优化方法求解单应性矩阵的鲁棒性。为验证靶准直传感器对腔靶姿态检测的准确性,实验以0.02°的步距角绕X轴旋转柱状靶,利用靶准直传感器检测柱状靶姿态变化并与实际的姿态变化进行对比分析,实验结果显示最大误差小于0.009°,证明了修正方法的可行性。     

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化原理,提出了拟合误差敏感点的选择方法,根据NURBS曲面重构的原理,将曲面曲率最值点和拟合误差最大点定义为理论加工刀轨曲面误差敏感点。利用曲率敏感点,在理论非等径刀轨曲面规划离散网格,得到初始数据点。通过最小二乘优化方法重构NURBS刀轨直纹面,再根据误差敏感点定义的等参数曲线来调整刀轨直纹面形状。构建了理论加工误差模型,并通过实例的仿真计算和数值模拟说明了该算法的有效性。     

Position and orientation detection of capsule endoscopes in spiral motion

In this paper, a position and orientation detection method for the capsule endoscopes devised to move through the human digestive organs in spiral motion, is introduced. The capsule is equipped with internal magnets and flexible threads on their outer shell. It is forced to rotate by an external rotating magnetic field that produces a spiral motion. As the external magnetic field is generated by rotating a permanent magnet, the 3-axes Cartesian coordinate position and 3-axes orientation of the capsule endoscopes can be measured by using only 3 hall-effect sensors orthogonally installed inside the capsule. However, in this study, an additional hall-effect sensor is employed along the rotating axis at a symmetrical position inside the capsule body to enhance measurement accuracy. In this way, the largest position detection error appearing along the rotating axis of the permanent magnet could be reduced to less than 15mm, when the relative position of the capsule endoscope to the permanent magnet is changed from 0mm to 50mm in the X-direction, from −50mm to +50mm in the Y-direction and from 200mm to 300mm in the Z-direction. The maximum error of the orientation detection appearing in the pitching direction ranged between −4° and +15°.     

基于子孔径斜率离散采样的波前重构

由于现有评价与测试方法不能满足3~4m地基光电探测系统在不同仰角下对光学系统波前检测的需求,本文提出了基于子孔径斜率离散采样,再重构全口径波面轮廓的波像差测试方法。采用光学模拟与数学分析协同仿真的方法,研究了波面重构算法的不确定度以及扫描运动引起的子孔径倾斜误差、子孔径扫描位置误差、像点坐标测量误差与波前复原精度间的作用规律。仿真结果显示,迭代算法的相对误差ΔPV为0.002 8λ(λ=632.8nm),模式算法的相对误差ΔPV为0.002 7λ。当子孔径倾斜误差小于0.2″,波面重构误差ΔPV约为0.02λ。当子孔径采样位置精度优于0.2mm,其引入的波面重构误差小于0.04nm(PV);当子孔径像点坐标提取精度优于5μm,波面重构误差ΔPV约为0.03λ。研究结果表明,当考虑波面重构过程中的实际测量误差时,模式算法的误差容限较高,收敛性更好。此外,构建实际测试装置时,需引入角度监测与算法误差补偿机制,子孔径倾斜角度监测系统的测角精度需优于0.2″。     

浮点数编码改进遗传算法在平面度误差评定中的研究

随着智能制造系统的迅猛发展,应用元启发模式计算方法快速、准确地求解平面度误差值凸显出重大现实意义。为进一步提高平面度误差计算精度,研究了一种基于浮点数编码的改进遗传算法,在原有遗传算法的交叉变异基础之上,引入模拟退火思想,建立最小包容区域法的数学模型,通过计算机仿真获得了最佳适应度收敛曲线和平均适应度收敛曲线,优化结果表明相比传统遗传算法,平面度误差计算精度提高了33.67%。本算法采用浮点数编码、三段式交叉、转轮式选择和最优保存策略,借助模拟退火算法的局部搜索优势,提升了算法的整体性能,且更便于计算机编程,可进一步推广应用到智能测量仪器的其他高精度形位尺寸计算问题领域。