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Defect detection and repair algorithm for structures generated by topology optimization based on 3D hierarchical fully convolutional network

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Biomimetic Intelligence & Robotics 2024年第2期4卷 24-31页

作者： Zhiyu Wan Hai Lan Sichao Lin houde dai School of Advanced Manufacturing Fuzhou UniversityJinjiang 362251China Quanzhou Institute of Equipment Manufacturing Haixi InstitutesChinese Academy of SciencesJinjiang 362216China Fujian Key Laboratory of Special Intelligent Equipment Safety Measurement and Control Fujian Special Equipment Inspection and Research InstituteFuzhou 350008China

Customized 3D-printed structural parts are widely used in surgical *** satisfy the mechanical properties and kinematic functions of these structural parts,a topology optimization technique is adopted to obtain the optimal structural layout while meeting the constraints and ***,topology optimization currently faces some practical challenges that must be addressed,such as ensuring that structures do not have significant defects when converted to additive manufacturing *** address this problem,we designed a 3D hierarchical fully convolutional network(FCN)to predict the precise position of the defective *** on the prediction results,an effective repair strategy is adopted to repair the defective structure.A series of experiments is conducted to demonstrate the effectiveness of our *** to the 2D fully convolutional network and the rule-based detection method,our approach can accurately capture most defect structures and achieve 89.88%precision and 95.59%***,we investigate the impact of different ways to increase the receptive field of our model,as well as the trade-off between different defect-repairing *** results of the experiment demonstrate that the hierarchical structure,which increases the receptive field,can substantially improve the defect detection *** the best of our knowledge,this paper is the first to investigate 3D defect prediction and repair for topology optimization in conjunction with deep learning algorithms,providing practical tools and new perspectives for the subsequent development of topology optimization techniques.

关键词： Topology optimization Additive manufacturing Deep learning 3D semantic segmentation Defect detection

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Salient Object Detection Via Multi-layer Markov Chain

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第二十届中国系统仿真技术及其应用学术年会（20th CCSSTA 2019）

作者： Lin Mingqiang dai houde Bao Hua Zeng Yadan Quanzhou Institute of Equipment Manufacturing Haixi InstitutesChinese Academy of Sciences School of Electrical Engineering and Automation Anhui University

Salient object detection is a fundamental computer vision task,which aims to identify and locate the most interesting objects attracting visual attention of humans in an *** this work,we regarded the problem of salient object detection as Multi-layer Markov random walks on an image graph *** are adopted to represent images as *** computed the weights of the edges by a set of features including background prior,dissimilarity,and ***,we decided the state of each node of next layer Markov Chain by the states of its neighbors and the present corresponding *** equilibrating the influential power towards the state of every node,we constructed the dissimilarity and similarity *** a random walker were to walk eternally,the fraction of the time that he would spend at every node could be reflected by the equilibrium distribution of Markov ***,we used the equilibrium distribution as the indication of *** challenging datasets with different scenarios are adopted to evaluate our model for salient object *** method performs better than the twenty state-of-the-art methods according to experimental results.

关键词： Saliency detection Markov Chain Graph Model Equilibrium Distribution

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基于改进弹簧模型的移动机器人柔顺跟随行人方法

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机器人 2021年第6期43卷 684-693页

作者：姚瀚晨彭建伟戴厚德林名强中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所福建晋江362216 中国科学院大学北京100049

针对人机共融环境下的跟随型自动搬运机器人,为了解决被跟随目标突发性运动造成机器人失灵的难题,提出了一种基于改进弹簧模型的移动机器人柔顺跟随方法.给被跟随目标的腿部和障碍物添加虚拟弹簧,完成了对机器人和被跟随目标之间相对位... 详细信息

针对人机共融环境下的跟随型自动搬运机器人,为了解决被跟随目标突发性运动造成机器人失灵的难题,提出了一种基于改进弹簧模型的移动机器人柔顺跟随方法.给被跟随目标的腿部和障碍物添加虚拟弹簧,完成了对机器人和被跟随目标之间相对位姿的闭环控制,从而实现躲避障碍物和自然交互任务.特别地,通过给虚拟弹簧添加动态阻尼系数,实现了移动机器人跟随目标运动的实时性和柔顺性.通过Simulink仿真对比移动机器人对被跟随目标的柔顺跟随轨迹,实现对改进弹簧模型的参数优化.采用自主开发的两轮差速移动机器人和Vicon光学运动捕捉系统,在被跟随目标做无规律、长距离运动的条件下,验证了该移动机器人跟随轨迹的平滑性和柔顺性.

关键词：人机共融人机交互行人跟随虚拟弹簧柔顺控制

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基于导电织物的关节弯曲角度测量传感器

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传感技术学报 2022年第4期35卷 440-446页

作者：周国鹏赵冉刘腾子戴厚德中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所福建晋江362216 中北大学山西太原030000 中原工学院河南郑州450007

柔性电容式拉伸传感器,可用于测量关节弯曲和肌肉拉伸等人体动作,具有低功耗,线性度高等优点,作为新一代可穿戴传感器在运动检测、医疗康复领域具有广泛应用前景。但现有电容式拉伸传感器存在应变灵敏度(Gauge Factor,GF)不高的缺点,导... 详细信息

柔性电容式拉伸传感器,可用于测量关节弯曲和肌肉拉伸等人体动作,具有低功耗,线性度高等优点,作为新一代可穿戴传感器在运动检测、医疗康复领域具有广泛应用前景。但现有电容式拉伸传感器存在应变灵敏度(Gauge Factor,GF)不高的缺点,导致在关节微小弯曲测量方面精度较低。针对此,提出了一种基于无机硅胶和导电织物的分段式结构柔性电容式应变传感器。传感器采用不同杨氏模量硅胶设计了非线性结构的介电弹性体,并以柔性导电布作为电极。同时,建立了传感器的关节弯曲角度感知模型。实验结果表明,该传感器由于采取了分段式结构设计,因此稳定性好,提高了在中等应变情况下(0~50%)的应变灵敏度因素(GF=1.5)。将其安装于手套上测试,弯曲角度预测模型能够对关节弯曲角度进行较好的预测。该柔性电容式应变传感器制作工艺简单,可低成本大规模制造。其分段式结构设计与角度传感模型适用于医疗康复训练和机器人操控等创新应用。

关键词：柔性电容式传感器关节弯曲角度角度传感模型

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基于物理信息机器学习的酶促反应系统参数估计

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化学工程 2024年第7期52卷 77-81,94页

作者：刘承杰俞辉陈宇戴厚德福州大学先进制造学院福建泉州362000 中国科学院福建物质结构研究所福建福州350108 福建农林大学机电工程学院福建福州350100 福建省特种设备检验研究院福建省特种智能装备安全与测控重点实验室福建福州350008

为揭示物理信息神经网络在生化领域中的潜力,研究一种基于现代物理信息机器学习工具的新参数估计方法,并通过酶促反应过程模型的案例研究进行了演示,比较软、硬边界约束设置对计算结果的影响。实验分析表明,利用软、硬2种不同约束的物... 详细信息

为揭示物理信息神经网络在生化领域中的潜力,研究一种基于现代物理信息机器学习工具的新参数估计方法,并通过酶促反应过程模型的案例研究进行了演示,比较软、硬边界约束设置对计算结果的影响。实验分析表明,利用软、硬2种不同约束的物理信息神经网络均能获得精确的模型参数估计值,并在所有的可观测变量上的拟合优度R^(2)在0.98以上,所得到的系统模型能够较好地反映系统的动态过程。所提出的方法融合了模型驱动与数据驱动方法的优势,并且能够在基于采样40次的含噪声小型数据集上获得稳健的训练结果,显著降低对数据量的要求。

关键词：物理信息嵌入酶促反应神经网络参数估计硬约束

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基于导纳控制的社交机器人伴随与避障控制策略

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机器人 2024年第3期46卷 305-316页

作者：廖哲霖彭建伟姚瀚晨苏泽凡戴厚德福建农林大学机电工程学院福建福州350002 中国科学院福建物质结构研究所福建福州350005

目前社交机器人与目标人体并排行走(人体伴随与避障)时的运动控制策略的研究相对缺乏。为提升陪伴任务中用户的舒适度、机器人的运动柔顺度及其安全避障能力,本文提出了一种基于导纳控制的人体伴随与避障控制策略。首先,基于人机交互空... 详细信息

目前社交机器人与目标人体并排行走(人体伴随与避障)时的运动控制策略的研究相对缺乏。为提升陪伴任务中用户的舒适度、机器人的运动柔顺度及其安全避障能力,本文提出了一种基于导纳控制的人体伴随与避障控制策略。首先,基于人机交互空间理论设计了交互力模型以构建人机动态交互关系,避免机器人侵犯目标人的亲密区域以提升目标人的舒适度;其次,将导纳控制模型与交互力模型结合,通过设置合理的导纳参数提升机器人运动控制的柔顺度;最后,引入行为动力学模型模拟人类的避障行为,以保障人体伴随任务的安全性。此外,提出了一组评价指标以验证伴随控制器的性能。根据仿真实验结果,在柔顺度方面,相较于PID法和虚拟弹簧模型(VSM)法,本方法下速度变化量分别降低69.6%和67.1%;在舒适度方面,机器人未给目标人带来不适;在安全性方面,本方法的避障失败率仅为10%,优于人工势场(APF)法和VSM法的40%和50%。实物实验中,机器人的柔顺度和舒适度指标均较好,避障失败率仅为5%,有效实现了安全友好的人体伴随与避障控制。

关键词：人机共融伴随导纳控制行为动力学社交机器人避障

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基于机械阻抗测量的帕金森肌强直症状量化检测系统

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生物医学工程学杂志 2018年第3期35卷 421-428页

作者：戴厚德熊永生蔡国恩夏许可林志榕中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所福建晋江362200 中北大学电气与控制工程学院太原030051 福建医科大学附属协和医院神经内科福州350001

针对帕金森病(PD)肌强直症状严重程度的诊断主要依赖于医生主观判断的现状,本研究设计了一种基于机电驱动装置和机械阻抗测量的PD肌强直症状量化检测系统,该系统采用机电驱动装置对PD患者重复执行肘关节弯曲伸展动作,并同步采集其运动... 详细信息

针对帕金森病(PD)肌强直症状严重程度的诊断主要依赖于医生主观判断的现状,本研究设计了一种基于机电驱动装置和机械阻抗测量的PD肌强直症状量化检测系统,该系统采用机电驱动装置对PD患者重复执行肘关节弯曲伸展动作,并同步采集其运动状态和生物力学信息,以最小平方参数估计方法获得多个肌强直量化特征参数,同时与神经内科医生参照PD评分量表(UPDRS)给出的肌强直症状评分进行相关性分析,寻找优选的量化参数。临床试验结果显示,患者肘关节被动运动时的机械阻抗值与UPDRS肌强直症状评分具有高度相关性,皮尔逊(Pearson)相关系数为r=0.872,P<0.001,该结果表明,本系统能够灵活有效地量化评估PD肌强直症状。此外,机械阻抗可以作为一种优选的PD肌强直量化参数,用以辅助神经科医生进行症状诊断和病情监测。

关键词：帕金森病肌强直机械阻抗量化评估

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基于鞋垫传感器测量垂直地面反作用力的算法

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医用生物力学 2023年第3期38卷 568-573页

作者：邓盛中戴厚德陈昱光万郅玙福州大学先进制造学院福建晋江362251 中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心福建晋江362216

目的提出一种实用、高精度的足底压力动态监测算法,通过电容式鞋垫传感器测量走路时垂直地面反作用力(vertical ground reaction force,vGRF),并验证预测精度的可靠性。方法4名健康男性受试者穿戴电容式鞋垫传感器,在Kistler三维测力台... 详细信息

目的提出一种实用、高精度的足底压力动态监测算法,通过电容式鞋垫传感器测量走路时垂直地面反作用力(vertical ground reaction force,vGRF),并验证预测精度的可靠性。方法4名健康男性受试者穿戴电容式鞋垫传感器,在Kistler三维测力台上采集快速和慢速行走数据。对电容式鞋垫传感器采集到的数据进行像素化处理,处理后的数据输入残差神经网络ResNet18,预测得到高精度vGRF。结果与Kister测力台收集的数据分析比较,快速和慢速行走的归一化均方根误差(normalized root mean square error,NRMSE)分别为8.40%和6.54%,皮尔森相关系数(Pearson correlation coefficient)均大于0.96。结论本研究为移动场景下GRF动态测量提供了一种新型算法,可以用于实验室外完整GRF估计,而不受测力台数量和位置的约束,潜在应用领域包括步态分析以及有效捕捉病理性步态。

关键词：鞋垫传感器垂直地面反作用力动态监测残差神经网络步态分析

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基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状量化评估的研究进展

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中国生物医学工程学报 2018年第2期37卷 229-236页

作者：戴厚德熊永生蔡国恩林志榕叶钦勇中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所(中国科学院福建物质结构研究所) 福建泉州362200 中北大学计算机与控制工程学院太原030051 福建医科大学附属协和医院神经内科福州350001

帕金森病(PD)运动症状的量化评估是PD诊疗中的一个难题;基于MEMS(微机电系统)运动传感器的可穿戴式装置可以跟踪PD病人设定动作和自主运动等运动信息,从而实现帕金森运动症状的实时和客观的量化评估。首先介绍MEMS运动传感器技术及用于... 详细信息

帕金森病(PD)运动症状的量化评估是PD诊疗中的一个难题;基于MEMS(微机电系统)运动传感器的可穿戴式装置可以跟踪PD病人设定动作和自主运动等运动信息,从而实现帕金森运动症状的实时和客观的量化评估。首先介绍MEMS运动传感器技术及用于帕金森运动症状量化评估的典型性可穿戴式系统,包括其局限性;然后对震颤/异动症、缓慢运动、肌肉僵直、姿势步态障碍等4个主要运动症状的量化评估方法及其与神经科医生临床判断相关性分别进行对比和分析;同时对PD症状波动等运动并发症对运动症状量化评估的影响进行讨论。介绍MEMS运动传感技术在PD运动症状量化评估中的应用及其精确性,为基于可穿戴式传感装置的帕金森运动症状定量评估研究提供一个基础框架。

关键词：帕金森病运动症状 MEMS运动传感器可穿戴式设备量化评估 UPDRS

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基于光学运动跟踪系统的机器人末端位姿测量与误差补偿

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机器人 2019年第2期41卷 206-215页

作者：戴厚德曾现萍游鸿修苏诗荐曾雅丹林志榕中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所福建晋江362200 台湾工业技术研究院机械与机电系统研究所台湾新竹31040

针对工业机器人绝对定位精度较低的问题,采用加拿大NDI公司的Optotrak Certus HD光学运动跟踪系统作为机器人位姿的测量设备,提出了一种基于再生权最小二乘法的最优剪枝极限学习机算法,通过该算法将机器人目标位姿映射到修正位姿上,实... 详细信息

针对工业机器人绝对定位精度较低的问题,采用加拿大NDI公司的Optotrak Certus HD光学运动跟踪系统作为机器人位姿的测量设备,提出了一种基于再生权最小二乘法的最优剪枝极限学习机算法,通过该算法将机器人目标位姿映射到修正位姿上,实现了对机器人末端位姿补偿的效果.利用爱普生6轴机器人末端进行实验,在不同速度下完成直线轨迹运动、圆轨迹运动以及离散随机运动,对该误差补偿方法的有效性进行验证和分析.结果表明,该误差补偿方法均能提高机器人的位姿精度,其测试点在X、Y、Z三轴总方向上的绝对位置精度为0.06 mm～0.25 mm,比无补偿时的2 mm～3 mm有了1个数量级的提高;而姿态误差补偿后,其均方根误差和平均绝对误差均减小到未补偿时姿态误差的26.09%.同时,该补偿方法还可有效降低异常值的影响,具有良好的稳健性.

关键词：工业机器人标定绝对定位精度光学跟踪再生权最小二乘法最优剪枝极限学习机

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