植入光纤光栅的软体驱动器形状传感研究

软体机器人由于具有柔顺性和适应性等特点,在外科手术和狭窄空间等方面具有无可比拟的优势,为了实现微创手术等狭小空间中软体驱动器的姿态传感监测,提出基于植入式光纤光栅的柔性传感方法,首先将光纤布拉格光栅（FBG）植入在软体驱动器中;然后在软体驱动器的不同弯曲状态下,通过实验测试分析FBG点的光谱、波长漂移量和曲率等信息,利用3次样条插值等算法实现软体驱动器的三维形状拟合重构。实验结果表明,驱动器实际弯曲角度和重构算法之间的误差不足45%,传感器重复性的偏差指数不足7%。所提出的基于植入式光纤光栅的柔性传感方法可以实现软体机器人的姿态传感监测,在医疗外科手术领域具有广阔的应用前景。     

基于机器视觉的硬币分拣系统设计

设计了一套基于机器视觉的硬币自动分拣系统。采用视觉算法对图像进行预处理、特征约束和模板匹配,实现硬币的识别和定位。在此基础上,通过坐标转换,使用机械臂对识别的硬币进行抓取,完成自动分拣。实验证明,该系统具有较高的准确率和较低的漏检率,可以满足自动分拣需求。     

电子注分析系统中三坐标精密工作台的设计与控制

提出一种利用收集极在三维空间内通过束流采样进行电子注分析的测量方法,介绍了电子注分析系统中三坐标精密移动工作台的设计与控制。该方法可对电子注发射系统的结构参数、工作性能进行全面测量和分析,为超高频大功率电子器件的研制提供实验手段。     

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。     

基于一线协议的步进电机驱动器设计

提出了一种较为实用的步进电机驱动方案.它基于一线协议,使用Philips的P89LPC932新型单片机来进行控制,并由分立元件组成的功率放大电路来驱动步进电机.详细阐述了驱动电路原理及其功能.     

基于双金属结构的光纤光栅温度不敏感滤波器

为提高光纤陀螺宽谱光源的平均波长稳定性,提出了一种用60μm超短光纤光栅制作带宽11.77 nm温度不敏感滤波器的方法。利用金属材料的热膨胀系数差,设计了双金属温度补偿结构,能够随温度的升高/降低对光纤光栅压缩/拉伸,有效地补偿光纤光栅由热光效应引起的波长变化。在30～60℃的温度范围内,光纤光栅的温度灵敏度系数为0.15 pm/℃,较未补偿前降低了60倍以上。该结构具有较好的温度不敏感性,可作为光源滤波器提高光源的平均波长稳定性并有望用于高精度光纤陀螺。     

FBG-FP的应变与温度解耦方法研究

光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的温度与应变交叉敏感问题在实际工程应用中至关重要。本文提出了一种采用级联FBG的法布里-珀罗(FBG-Fabry-Perot, FBG-FP)传感器进行温度与应变同时测量的方法。级联FBG阵列由氩离子紫外激光器基于相位掩模板方法制作,其形成的FP干涉峰和光栅反射谱包络可以实现温度与应变的解耦。在不同的温度条件下,由FBG-FP反射谱包络10 dB带宽所对应中心波长值可得FBG-FP的温度灵敏度系数为9.5 pm/℃。分别在无应力、有应力且恒温条件下,通过解读FP干涉峰的波长变化得到该级联FBG-FP的温度和应变灵敏度系数分别为9.1 pm/℃和1.03 pm/με。实测的温度与应变值可由干涉峰波长、反射谱包络与温度、应变的函数关系求得。结果表明该FBG-FP可以实现温度与应变的同时测量。     

穿刺手术柔性针路径规划技术现状和展望

微创穿刺手术由于具有创伤小、恢复快等优势,近年来在临床上得到广泛应用,主要用来进行组织活检、局部消融和局 部麻醉等操作。 目前穿刺手术使用的手术器械是斜尖柔性针,相比较于刚性针,前者可以避开重要的器官和组织,对患者的损 伤较小。 在手术过程中,有效的路径规划算法可以辅助医生提高手术的安全性和准确性,现有的术中路径规划算法的误差在毫 米量级,限制了其在临床手术中的应用,亟待探讨解决方法。 为此,梳理了穿刺手术中柔性针的路径规划研究进展,分析了影响 路径规划的因素,对穿刺针的路径规划算法进行了详细的介绍,指出了当前需要解决的关键问题,最后从最优路径选择、参数反 馈以及术中实时路径规划方法等不同方面出发探讨了柔性针手术穿刺针路径规划的未来发展方向。     

螺旋型光纤传感软体操作臂状态测量及特性分析

微创手术软体操作臂是微创外科和机器人领域的科学前沿和研究热点,对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体操作臂的状态测量问题,以直线型布设在软体操作臂中的光纤传感器,在柔性操作臂伸展和弯曲等运动时存在易断裂和可重复性差等问题,未能实现手术操作臂的闭环控制,限制了其手术应用。为此,提出了一种基于螺旋型光纤传感的软体操作臂状态测量方法,并对其传感特性进行了研究。不同于直线布设光纤的传感方法,螺旋型布设光纤的传感方法可以实现可伸缩软体操作臂的测量,防止光纤在软体操作臂中的错位,满足可伸缩弯曲软体操作臂的测量需求。通过理论分析气动驱动软体操作臂伸缩和弯曲的运动特性,利用光纤上刻写的布拉格光栅传感点,建立软体操作臂中螺旋型光纤光栅的传感模型,推导出光纤光栅中心波长漂移量和软体操作臂弯曲曲率之间的关系。最后,为了验证螺旋型光纤光栅在软体操作臂中的传感性能,对其传感灵敏度和稳定性等进行了实验测试。实验结果表明:提出的螺旋型光纤传感方法可实现操作臂伸长10%、弯曲角度达到180°时的状态测量,且操作臂理论弯曲角度和光纤传感的误差最大为9%,传感灵敏度可达12.55 pm/(°),满足软体操作臂伸缩和各向弯曲操作时的测量需求。     

基于多级衍射及自适应补偿的光纤光栅传感器解调技术

解调技术是决定光纤光栅传感解调系统速率、精度、容量等性能的关键因素。提出一种基于线阵光电探测器成像原理的光纤光栅传感器解调方案,通过多级衍射,结合弱曝光自适应超频技术和FPGA并行数据处理技术,实现了对传感信号的快速解调,同时可以实现对级联型光纤光栅传感器和长周期光纤光栅传感器信号的解调。使用温度、应力敏感光纤光栅传感器对搭建的铁路桥模型进行监测,实验结果表明,光纤光栅传感系统的解调精度可以达到10 pm量级,系统可测量光谱范围达50 nm,提高了传感系统的解调速率和精度,同时实现了光纤光栅解调设备的微型化。