基于非侵入式虚拟传感方法的下肢关节运动学检测

提出了一种基于非侵入式虚拟传感检测方式分析下肢关节运动学的方法。利用可穿戴式传感系统的检测信号,采用双物理传感器差分算法与双虚拟传感器差分算法相结合的方式,计算下肢关节处虚拟植入的传感器运动状态,在膝关节解剖学坐标系内,实现对膝关节的运动学分析。为了初步验证本方法的正确性与可用性,采用三轴加速度计和地磁力计等开发了一套可穿戴式传感系统,并通过五位受验者进行了实验验证。实验结果表明:本文方法可实现应用穿戴式传感系统进行非侵入式下肢关节运动学检测与分析,进一步改进和提高其测量精度后,可应用于步态分析。     

基于可穿戴传感系统的人体肢段定位动态评估

介绍了一种采用双传感器差分算法分析人体肢段双向偏转角并进行肢段定位的新方法;基于本方法开发了一套使用三轴加速度计的可穿戴式传感系统,用于获取和分析下肢肢段前后摆角和左右偏转角信息。为了评估本方法,将该系统分别在二自由度机械臂和受验志愿者大腿上进行了测试。结果表明:在理想条件下,只使用加速度计组成可穿戴式传感系统,通过测量髋关节和大腿上的加速度,就可以得到人体局部坐标系内下肢段定向的动态分析。     

基于下肢动力学检测分析的站起康复训练机器人控制

提出了人体站起轨迹控制方法(TCM)和阻尼控制方法(ICM)。采用这两种控制方法可以实现对机器人系统的控制,使患者能安全、有效地进行下肢站起运动康复训练。在患者站起过程中,下肢各肢段旋转角、身体运动轨迹、地面反力(GRF)、压力中心(COP)和绳索张力等参数可由康复机器人系统中的相应传感器实时检测得出,并通过实时运算得出髋、膝、踝各关节力矩,用于反馈控制。试验结果表明,该方法可以保证患者实现安全、舒适、有效的站起训练,适用于站起康复训练机器人控制系统。     

减重站起康复训练系统机械结构设计与优化

基于人体工程学设计并优化了一种多功能坐站运动辅助与康复运动训练机器结构,可使患者按照对标健康人体站起运动轨迹进行减重式康复运动训练。重点设计了下肢矫助外骨骼结构和顶端哑铃形螺旋绕线轮,对整体机械结构及主要零部件进行了力学分析和尺寸优化。可使存在下肢运动功能障碍的使用者不仅可获得坐站运动辅助,而且可以使下肢肌群完全按照对标健康人体站起时肌肉正确施力规划进行康复训练,避免产生因站起姿势扭曲导致的肌肉畸态施力,从而获得安全、健康的康复运动训练效果。     

臂式站起运动康复训练机械结构设计及分析

通过建立人体运动生物力学模型研究了健康人体站起运动轨迹,设计了多自由度臂式下肢康复训练机械结构并对其进行了有限元分析与优化。通过实验研究了人体站起过程中各关节部位的角度变化,为下肢康复训练设备控制提供了参考。分析结果表明,对人体运动生物力学模型的研究和实验所得的数据能够对下肢智能康复训练方法提供有效参考,而本文所设计的机械结构符合使用环境下的力学性能要求,并且具有质量轻、占地少和成本低等优点,适于临床应用和产品化推广。     

基于光纤光栅传感的扭振检测新方法

提出了一种基于光纤光栅传感的扭振检测新方法。该方法以等强度梁为基片将光栅封装成传感器,通过感知梁应变来实现机械振动到光纤波长漂移的转化,提高了传感器的响应灵敏度。并在现有的旋转实验平台上对该方法进行了旋转状态下的实验验证。基于该方法的检测系统具有原理简单、测量精度高和非接触传输的优点,可广泛用于大型旋转机械轴系的扭振检测。     

基于无线惯性传感器的人体动作捕获方法

为解决光学式动作捕捉设备成本高昂和操作复杂的问题,提出一种通过佩戴在用户身体上的无线惯性传感器进行人体动作数据捕获的方法.在用户身体的各个运动部位绑定多个由加速度和磁通传感器构成的无线惯性传感器单元,传感器通过无线信号发送运动传感数据到计算机端,应用优化算法计算惯性传感单元的三维朝向信息,最后将四元数与动画角色的骨骼绑定后生成人体动作数据.为了解决运动过程中的行走导致的骨架根节点移动问题,利用地形参数反向计算和调整角色骨架根节点位置,使生成的动作符合地形和环境要求,达到真实自然的运动效果.实验结果表明,使用无线惯性传感器进行人体动作捕获得到的动作数据准确度高,朝向计算方法运行速度快,能够满足实时性应用的要求,同时显著降低动作捕获的成本和使用复杂度.     

正交共轭反射镜电流传感器研究

针对光学玻璃电流传感头光学参量对光学电流互感器性能影响问题，提出了采用正交共轭反射镜作为一次电流传感元件的光学电流传感器设计方案，报告了系统的光路设置，建立了系统的数学模型，导出了其工作原理的解析表达式，给出了验证性实验结果，讨论了该设计的优、缺点及克服缺点可能的技术措施．研究结果表明，该设计方案是合理的，可被实验验证的．经过实用化开发后，其有可能成为实用型光学电流互感器的一种方案．     

基于ZigBee的有害气体信息采集系统设计

针对石化危险环境下泄露气体信息采集问题,开发了基于无线传感网络技术的多点传感信息采集系统.利用ZigBee协议,通过星形网络实现数据采集和传输,采用串口通信技术与上位机ARM7嵌入式开发系统通信,实现了无线传感器网络在石化气体泄露检测中的应用.     

埋入式光纤光栅界面应变传递机理与误差修正

光纤光栅应变传感的准确程度主要取决于光纤、保护层和黏贴层以及基体材料的物理力学性能,即各层间应变传感的界面传递特性.本文以埋入式光纤光栅作为研究对象,推导出了考虑多层界面应变传递的光纤光栅应变传感的统一表达式.通过定义平均应变得到了光纤光栅应变传感的误差与修正公式.针对自行开发的埋入式光纤光栅管式封装应变传感器和FRP-OFBG应变传感器,研究了相应的应变传递误差规律和影响因素,给出了相应的误差修正系数,并通过试验加以验证.为埋入式光纤光栅封装应变传感器的开发与工程应用提供了理论基础.     

光纤Michelson干涉仪的声发射检测实验研究

提出了一种基于Michelson干涉仪原理构成的非接触式光纤超声传感系统，用于固体中传播的超声波的检测．这种传感器的特点是能够精确地检测由固体中传播的超声波产生的微弱振动．当超声波信号导致反射器振动时，干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制．通过检测干涉仪的输出光强度，并利用Fourier变换，测得了超声信号的振幅和频率．对传感系统的位相调制特性进行了仿真，并对实验结果进行了分析，表明该系统可用于固体中声发射的频率特征识别．     

一种新颖的手部运动跟踪系统

目前已有的手部运动跟踪系统大多在一定程度上限制了人体运动自由.基于此,提出一种无线、可穿戴、无障碍的腕关节、指关节运动跟踪系统.在人体每个手指甲上粘贴一轻小永磁体,用以产生标示腕关节、指关节运动的信号;若干磁传感器置于手腕处的电子腕带上,作为标示信号(磁信号)检测器.当腕关节、指关节运动时,永磁体在各传感器所在位置处的合成磁场发生变化,传感器对该磁场信号进行测量,所检测到的磁场信号送入手部姿势估计器,估计器基于系统数学模型计算手部姿势,从而实现对手部运动的跟踪.     

基于光学相关器的电视跟踪处理方法研究

根据目前电视跟踪测量系统中相关跟踪算法存在的问题,提出联合变换光学相关器应用于电视跟踪测量系统中的跟踪算法思路;通过分析联合变换光学相关器的原理和结构,说明了基于光学相关器的电视跟踪处理技术可行性;设计出基于光学相关器的电视跟踪处理系统,高精度的脱靶量测量将通过目标运动检测传感器和联合变换光学相关器共同作用得以实现;最后通过理论推导和分析得出:光学相关器应用于电视跟踪测量系统将使电视跟踪测量设备在功能上得到增强。     

基于虚拟仪器的方形磁光玻璃电流传感器

理论分析和实验研究了以方形磁光玻璃作为传感头敏感元件的光学电流传感器的传感特性,利用基于LabVIEW的虚拟仪器技术实现了该光学电流传感器的信号处理,同时从理论分析和数值模拟2个角度分析全反射引入的反射相移对系统输出的影响.实验结果表明,当待测电流值从100～340A线性增大时,传感器系统的输出具有很高的线性度,实验值与理论值仅相差1个比例系数,与反射相移的模拟结果相符.通过虚拟仪器的"校准"操作修正后,实验值与理论值十分吻合.     

基于微型传感器的虚拟人运动控制

利用传感器数据和相邻肢体段相互关联的特点,根据人体运动特征建立了层次化结构的虚拟人运动模型,通过微型传感器采集的数据驱动虚拟人每个关节旋转,计算出关节的旋转角度,给出基于下肢运动的人体位移的计算方法。最后采用微型传感器数据和前向动力学相结合的方法对虚拟人运动进行控制,实现人体运动的重现。     

基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人动力学仿真

依据仿生设计原理,设计了一种基于气动肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力机器人,并进行了动力学仿真分析。参考人体肩关节、肘关节、腕关节的运动机理及特性参数,设计外骨骼的机械结构,运用Pro-e软件建立其三维装配体模型,将其导入ADAMS中进行动力学仿真。通过仿真分析得到大、小臂等的角速度和角加速度以及各个关节的力矩变化规律,验证了设计的合理性与正确性,为机器人智能控制提供了理论基础。     

下肢助力外骨骼机器人自适应阻抗控制研究

当前用于人体运动增强的下肢助力外骨骼系统获得越来越多的关注。获取高精度跟随控制是下肢助力外骨骼机器人研制的主要挑战。针对当前基于位置的控制算法需要复杂的外骨骼动力学模型的问题,该文提出了基于增强学习的变参数阻抗控制算法。首先介绍了HUALEX助力外骨骼系统并对HUALEX建立简单动力学模型。基于此,提出一种基于增强学习的自适应阻抗控制算法,验证了阻抗参数对控制效果的影响,并通过仿真实验验证了该算法的有效性。     

光纤智能皮肤的理论与实验研究

光纤智能皮肤压觉传感器主要应用于机器人的机械手上,构成智能手掌。在光纤智能 布设了二维分布式光纤阵列,利用光纤微弯损耗传感机理,实现了对压觉的识别,即对压力大小和位置的传感与检测。在传感系统中,采用光纤微弯压觉式传感器制成传感单元,当有压力时,使传感单元发生微小位移,通过分布式传感器使得光纤中传输光产生损耗,再通过ＰＩＮ光电马光信号转变为电信号,最后经放大电路放大。在巡回检测系统中,采用循环计数器     

基于纳米纤维的光学折射率传感器研究

利用纤维进行光学传感是目前较热门的研究领域,纤维系统的光学传感可以用来检测环境中的压力、温度、湿度、浓度以便探究事物之间的相互联系.提出了一种基于纳米纤维的折射率传感器,可以检测周围折射率的局部变化.此外,还给出了直接求解电磁问题的方法,该方法证明了纳米纤维的几何形状可以探测局部折射率.最后,对此现象的机制和检测局限性进行了讨论.     

基于语义的传感观测服务系统

为了使不同类型传感器网络能够自适应地访问和交换彼此的信息资源,研究分析基于传感网整合框架的传感观测服务。通过使用Tomcat服务器构建传感观测服务2.0系统,并针对传感观测服务SOS 2.0核心操作和信息模型,使用Java编程实现XML文档验证规则,首先通过使用schema对XML文档架构的正确性进行检验,其次使用schematron对XML文档架构的规范约束表达式进行验证。实验结果表明,借助XML文档验证规则,即可增加传感观测服务的语义信息,又能解决异构传感器之间的通信问题。