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血管介入手术机器人导管导丝协同控制及操作安全预警研究

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血管介入手术机器人导管导丝协同控制及操作安全预警研究

作者：吴佳彬天津理工大学

学位级别：硕士

手术机器人的引入给血管介入手术带来了革新,但一些新的挑战也同时出现。研究表明,成功的临床结果高度依赖于手术医师的操作技巧和经验水平,现阶段血管介入手术机器人系统主端操作器的设计对于传统临床手术医师的导管/导丝操作行为考虑... 详细信息

手术机器人的引入给血管介入手术带来了革新,但一些新的挑战也同时出现。研究表明,成功的临床结果高度依赖于手术医师的操作技巧和经验水平,现阶段血管介入手术机器人系统主端操作器的设计对于传统临床手术医师的导管/导丝操作行为考虑较少。同时,遥操作者缺乏直观的导管与血管接触的力/触觉反馈,增加了手术的风险。由此,本设计利用磁流变液技术模拟再现手术导管/导丝在人体管脉系统中的受力情况,以操作导管作为主端操作媒介指引从端手术机器人完成导管/导丝递送,实现符合人体工学且可充分利用传统手术操作技巧的遥操作血管介入手术机器人系统。主要研究内容如下:(1)提出了一种新型的基于磁流变液技术的主端操作器。设计了一种具有螺旋结构的主端触觉反馈装置,使磁通量沿蛇形路径多次激活磁流变液,实现了一种基于操作导管的被动力触觉反馈的再现。同时,提出了采用编码器与激光传感器模块的运动信息采集装置,实现了对医生传统手术操作技巧的采集。(2)设计了利用摩擦轮作为递送导管/导丝媒介的从端手术机器人,通过导管操作器与导丝操作器的相互配合,实现了导管/导丝的协同操作。通过分析基于特定递送速度范围内,不同递送阻力下驱动电机的电流损耗,建立了电流-阻力-速度模型,使从端手术机器人能够在不外加力传感器的前提下,实现对导管递送阻力的测量。通过从端手术机器人的运动性能评估实验,验证了所设计的从端手术机器人具有良好的稳定性和精确性。(3)提出了一种基于触觉提醒的力反馈与主从运动跟踪控制策略,为医生提供操作安全预警,避免导管损伤血管壁。利用仿人管脉系统模型作为实验对象,通过高度还原的人体血管环境,验证所设计的血管介入手术机器人系统和控制方法的可行性和有效性。

关键词：血管介入手术机器人导管导丝协同操作磁流变液触觉反馈主从控制

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改进的激光光斑位置分辨率模型

中国激光 2019年第9期46卷 168-174页

作者：陈云善吴佳彬王景源张楠中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电探测技术研究部吉林长春130033 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站光电观测研究室吉林长春130033

为了分析四象限探测器(QD)激光光斑位置检测性能,建立了新的高斯光斑位置分辨率数学模型。分析了高斯光斑模型下QD位置检测原理和近似数学模型,根据误差函数可导性,结合误差理论推导出位置分辨率与总信噪比、光斑中心位置和光斑半径关... 详细信息

为了分析四象限探测器(QD)激光光斑位置检测性能,建立了新的高斯光斑位置分辨率数学模型。分析了高斯光斑模型下QD位置检测原理和近似数学模型,根据误差函数可导性,结合误差理论推导出位置分辨率与总信噪比、光斑中心位置和光斑半径关系的数学模型,数值仿真和实验系统验证了所提模型的正确性。结果表明,当光斑半径为0.74 mm,总信噪比为66.96 dB时,在光斑中心偏移±0.45 mm范围内,所提模型的估算误差约为36%,与原近似模型相比,精度提高了约1倍,可以对激光光斑位置检测系统的位置分辨率进行有效估算。

关键词：测量四象限探测器位置检测位置分辨率高斯光斑

基于蓝牙的嵌入式无线视频传输系统的设计与实现

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基于蓝牙的嵌入式无线视频传输系统的设计与实现

作者：吴佳彬南京理工大学

学位级别：硕士

单兵作战系统作为战场信息网络中一个重要节点,在信息化战争中发挥着关键性的作用,其作战任务将从传统的以杀伤为主转向以侦察、引导攻击为主。基于蓝牙的无线视频传输系统来源于单兵终端设备的侦察系统,它将蓝牙技术应用于军事上,能够... 详细信息

单兵作战系统作为战场信息网络中一个重要节点,在信息化战争中发挥着关键性的作用,其作战任务将从传统的以杀伤为主转向以侦察、引导攻击为主。基于蓝牙的无线视频传输系统来源于单兵终端设备的侦察系统,它将蓝牙技术应用于军事上,能够短距离实时监控战场态势,对士兵瞬态感知力的提高具有重大意义。本文在对国内外军用无线视频传输方式及关键技术进行充分研究与比较后,设计了一套基于蓝牙的嵌入式无线视频传输系统。针对战场应用环境,以OV5640为核心,设计了摄像头采集模块;以MT6620为核心,设计了蓝牙收发模块。并进一步对蓝牙和摄像头的硬件接口进行了优化和改进,提高了接口转换速率。同时基于蓝牙协议栈,对Bluetooth模块的驱动程序进行了移植和优化;基于V4L2架构,对摄像头模块的驱动程序进行了移植和优化,从而实现了蓝牙无线视频传输系统的基本功能。本文针对蓝牙视频传输的高延迟问题,采用MFC硬件编解码和TCP/IP传输的联合解决方案提高传输实时性。并在码率控制方面,利用了基于无线信道的宏块级自适应码率分配算法,降低延迟的同时,提高了图像质量。在此基础之上,进一步设计双线程控制算法,额外降低系统延迟,同时开发出蓝牙快速对接模式,大大缩短系统的建立时间。在无线视频传输系统设计完成之后,对系统延迟,峰值信噪比,丢包率进行了测试和分析,并利用单兵作战终端软件系统对其功能进行测试与分析,主要测试了视频分辨率、传输距离、视频质量和抗干扰性。实验结果符合预期指标,在军事领域具有广泛的应用前景。

关键词：单兵作战视频传输瞬态感知驱动程序码率控制

Generation of Airy beams using a phase-only Fresnel holographic lens

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Optoelectronics Letters 2017年第3期13卷 197-200页

作者：鲁强高世杰倪迎雪吴佳彬乔彦峰 Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and PhysicsChinese Academy of SciencesChangchun 130033China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

A method to generate Airy beam by combining the Fresnel holographic lens and the cubic phase of Airy beam is proposed. The detailed theoretical derivation to express the optical transform principle of the proposed method is presented. And excellent experimental results are demonstrated. It is shown that this approach works well and simplifies the experimental facility effectively, especially reducing the optical system length to half of that of the conventional method. In addition, the proposed method can realize the beam propagation trajectory control of Airy beam and generate Airy beam array.

关键词： holographic Fresnel derivation cubic facility trajectory modulated normalized captured expensive

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高精度近红外光斑位置检测模型研究

红外与激光工程 2016年第7期45卷 205-211页

作者：吴佳彬陈云善高世杰吴志勇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了提高1 550 nm近红外波段光斑位置的检测精度,提出了一种改进的积分无穷解算模型。以高斯光斑为入射光模型,深入分析了In Ga As四象限探测器(Quadrant Detector,QD)输出信号与光斑实际位置之间的关系,考虑探测器直径及沟道的影响,通... 详细信息

为了提高1 550 nm近红外波段光斑位置的检测精度,提出了一种改进的积分无穷解算模型。以高斯光斑为入射光模型,深入分析了In Ga As四象限探测器(Quadrant Detector,QD)输出信号与光斑实际位置之间的关系,考虑探测器直径及沟道的影响,通过引入误差补偿因子,利用最小二乘拟合的方法得到有效光斑半径,从而获得新解算模型的解析表达式,最后在搭建的In Ga As QD光斑位置检测系统上对提出模型进行实验验证。仿真和实验结果表明:新模型可有效降低不同半径光斑下的位置检测误差;入射光总能量约为10μW,光斑半径0.75 mm时,在[-0.75~0.75 mm]检测范围内,新模型均方根误差为0.003 mm,最大误差为0.009 mm,较原有模型分别降低了78.6%和52.6%。新模型在激光通信和激光雷达等工程实际中具有较好的应用前景。

关键词： 1 550 nm近红外波段 In Ga As四象限探测器光斑位置检测

四象限探测器位置检测精度的主要影响因素研究

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中国激光 2015年第12期42卷 298-306页

作者：张辉陈云善耿天文吴佳彬陈涛中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了提高四象限探测器(QD)光斑位置检测性能,研究了在高斯光斑模型下影响QD位置检测精度的主要因素。分析了四象限探测器位置检测的基本原理,随后根据误差理论推导出高斯光斑模型下位置检测精度与光斑半径、质心位置和系统信噪比关系的... 详细信息

为了提高四象限探测器(QD)光斑位置检测性能,研究了在高斯光斑模型下影响QD位置检测精度的主要因素。分析了四象限探测器位置检测的基本原理,随后根据误差理论推导出高斯光斑模型下位置检测精度与光斑半径、质心位置和系统信噪比关系的数学模型,通过数值仿真和实验分析验证了该数学模型的有效性,并深入分析了各因素对位置检测精度影响的趋势及大小。研究结果表明,对于四象限探测器高斯光斑位置检测系统,在保证检测范围的条件下,采用较小半径的光斑、选取靠近光敏面中心的工作区域和提高系统信噪比可以提高位置检测精度。当系统信噪比为57.48 d B时,采用束腰半径为0.6 mm的高斯光斑,QD中心点位置检测精度可达0.514μm。

关键词：测量四象限探测器检测精度高斯光斑信噪比

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改进的大气激光通信PPM调制解调系统设计

哈尔滨工业大学学报 2016年第5期48卷 105-109页

作者：马爽吴志勇高世杰耿天文吴佳彬中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学北京100039

为进一步提高PPM解调的性能,系统以FPGA为主控单元,提出了一种改进的数字锁相环提取时隙同步时钟和快速帧同步提取方案,在传统的数字锁相环中添加了数字滤波器和FIFO缓存单元.结果表明:系统能够精确地调整时隙时钟,调整精度达到0.25π,1... 详细信息

为进一步提高PPM解调的性能,系统以FPGA为主控单元,提出了一种改进的数字锁相环提取时隙同步时钟和快速帧同步提取方案,在传统的数字锁相环中添加了数字滤波器和FIFO缓存单元.结果表明:系统能够精确地调整时隙时钟,调整精度达到0.25π,10 Mbps信号的时隙时钟的抖动量仅为1.5 ns,最终系统实现了10 Mbps的大气激光通信.

关键词：激光通信脉冲位置调制时钟同步数据与时钟恢复

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激光通信系统中快速反射镜控制技术研究

半导体光电 2021年第2期42卷 289-294,300页

作者：张兴亮王威吴佳彬中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

为满足激光通信系统跟踪精度的要求,采用快速反射镜系统作为精跟踪控制核心。选用大行程、高分辨率、高带宽的音圈电机驱动快速反射镜,对音圈电机控制方法进行了研究。首先,定性分析了快速反射镜系统的组成及工作原理。然后,根据音圈电... 详细信息

为满足激光通信系统跟踪精度的要求,采用快速反射镜系统作为精跟踪控制核心。选用大行程、高分辨率、高带宽的音圈电机驱动快速反射镜,对音圈电机控制方法进行了研究。首先,定性分析了快速反射镜系统的组成及工作原理。然后,根据音圈电机的等效电路模型进行建模分析,得到快速反射镜的传递函数模型。最后,介绍了模拟控制器的设计原理,给出了比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)电路、位置检测电路以及功率放大电路的具体设计。实验结果表明,设计的快速反射镜的角分辨率为1μrad,重复定位精度为3μrad,闭环带宽(-3dB)为300Hz@1mrad,满足激光通信系统稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

关键词：激光通信快速反射镜音圈电机模拟控制

基于卡尔曼滤波器的快速反射镜改进自抗扰控制

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中国激光 2024年第13期51卷 175-183页

作者：张程鑫孙崇尚吴佳彬张建强李智斌山东科技大学电气与自动化工程学院山东青岛266590 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

四象限探测器存在较大测量噪声,严重影响快速反射镜(FSM)的跟踪性能和抗干扰能力。针对四象限探测器快速反射镜的控制问题,提出一种改进型自抗扰控制方法,利用卡尔曼滤波进行噪声滤波,扩张状态观测器负责系统状态和扰动的估计,并将观测... 详细信息

四象限探测器存在较大测量噪声,严重影响快速反射镜(FSM)的跟踪性能和抗干扰能力。针对四象限探测器快速反射镜的控制问题,提出一种改进型自抗扰控制方法,利用卡尔曼滤波进行噪声滤波,扩张状态观测器负责系统状态和扰动的估计,并将观测出的总扰动加入卡尔曼滤波状态方程。最后,设计零相差跟踪控制器作为前馈控制器,并在dSPACE实验平台上进行控制性能实验与抗干扰能力实验。实验结果表明:改进型自抗扰控制器可以提高FSM的跟踪性能,以100 Hz正弦信号为例,相较于线性自抗扰控制和干扰观测器控制方法,跟踪精度分别提高了20.99%和65.40%;对10 Hz正弦扰动的抑制能力分别提升了35.36%和61.26%。所提改进型自抗扰控制方法可以在存在较大测量噪声的情况下实现对扰动的精确估计和抑制,有效提高FSM的控制性能。

关键词：光通信快速反射镜自抗扰控制测量噪声卡尔曼滤波器