基于混合铰链的三维桥式放大机构的建模、分析与试验

为了解决全柔顺桥式放大机构实际放大倍数过低的问题,提出了一种基于混合铰链的三维桥式放大机构。该放大机构不仅保持了传统桥式放大机构对称性好、结构紧凑、设计简单的优点,而且还能实现较高的放大倍数。为了分析三维桥式机构的放大倍数和负载能力,采用了柔度矩阵法建立了机构的静力学模型,并且在此基础上提出了一种新的性能指标,即相对放大倍数,用于评价柔性放大机构的位移损失程度。3种最常用的柔性铰链被用于三维桥式机构的分析,通过仿真结果发现,当第一级机构采用V形铰链,第二级机构采用簧片式铰链的时候,三维桥式放大机构的各项性能达到最优。最后,设计加工了放大倍数为41,相对放大倍数在0.9以上的三维桥式机构,证明了分析结果的正确性。     

基于模糊模型参考学习控制的手术机器人人机交互

为了解决机器人辅助手术环境下人机交互运动过程中的不稳定性问题以及医生个人因素难以建模的问题,提出了一种基于模糊模型参考学习的变导纳人机合作控制方法.首先将人体手臂自然运动的特征作为模糊学习控制的参考模型,通过离线学习机构训练出模糊导纳控制器的变阻尼系数调整参数规则.再以医生对机器人的拖拽力以及机器人速度作为输入、机器人期望的速度作为输出,构建基于变阻尼参数调整的变导纳控制方法.离线训练实验结果表明,该方法经过10次离线训练,可以达到柔顺性要求,人机合作速度最大误差低于17 mm/s,且人机合作轨迹最大误差低于15 mm.相比单纯基于固定导纳参数的模糊控制,该方法具有更好的跟踪速度与精度.     

DN-YOLOv5的金属双极板表面缺陷检测算法

为解决氢燃料电池中金属双极板表面缺陷尺寸小，缺陷对比不明显、种类多造成的难以检测，易误检漏检以及缺陷检测模型复杂度太大难以部署等问题，提出一种改进版的金属双极板缺陷检测算法DN-YOLOv5,来探究缺陷检测在冲压成形的金属双极板视觉检测工作台场景下进行快速精准检测的可行性，从而实现智能检测，提升检测效率。本研究着重于修改YOLOv5主干网络Backbone部分，添加网络中模块数量，加入NAM注意力机制和使用深度可分离卷积模块来替代原来CSP/CBS主干网络卷积模块，并引入SIoU对损失函数重新进行了定义，极大的提升了主干网络的轻量化程度。结果表明，本算法的map@0.5可达0.988,每秒检测传输帧率为9.98,模型参数量降低了52.13%,在测试集75张缺陷图像中真检率达到了99.74%。该方法在保证模型较高检测率的同时，显著降低了模型复杂度和参数计算量。此外，该算法结合新的检测尺度设计特征融合网络，提升网络的小目标、多目标检测能力。该算法具有良好的稳定性和鲁棒性，综合性能较好，满足部署移动端场景进行缺陷检测的轻量化需求。     

侧壁压阻式力传感器的研制与标定

在对现有微操作中夹持力问题进行分析的基础上,提出了一种基于面内侧壁压阻的力传感器加工方法,成功地在MEMS微夹持器上集成了压阻式的力检测传感器,对夹持力的检测反馈实现了微操作的闭环控制.该方法利用离子注入工艺和深度反应离子刻蚀（DRIE）工艺相结合制作检测梁侧壁压阻,改善了侧壁压阻工艺与其他工艺间的兼容性问题.最后通过压电叠堆驱动平台结合精密电子秤对压阻传感器进行了标定.测试表明,这种微力传感器加工技术可以很好地与其他工艺相兼容,力传感器的灵敏度优于72V/N,分辨率优于3μN.     

一次逆、二次正压电效应在自感知执行器上的应用

提出利用一次逆、二次正压电效应为同一压电体内的双向效应原理,进行传感器与执行器集成一体化——自感知执行器的研究.即利用一次逆压电效应输出一个微位移,作为执行器使用;利用二次正压电效应的输出电荷自感知执行器的输出位移,作为传感器使用.在准静态（电压0～50V）和低频（电压100V,频率10Hz）条件下,分别进行了一次逆压电效应输出位移、二次正压电效应输出电压的实验,并将得到的数据进行归一化处理.实验结果表明,通过测量二次正压电效应产生的电荷能够较好地自感知一次逆压电效应产生的位移.     

用于机器人辅助穿刺手术进针策略研究的猪肝进针力建模

为研究机器人辅助肝脏穿刺手术中的进针策略以确保手术安全,基于实验数据建立了猪肝的进针力模型.方法如下:在2个新鲜离体猪肝3个不同区域内共采集了18条进针力曲线数据,根据针尖位置及进针力特征将力曲线划分为“被膜刺破前”、“进入肝脏前”和“进入肝脏后”3个阶段,然后采用已有的力模型分别进行每一阶段的进针力建模,通过对比各阶段的建模效果,确定最优的各阶段进针力模型,最后组合成完整的进针力模型.最终的进针力模型比较表明,相同个体不同区域的力模型差异较小,可以用一个力模型来表示该个体进针力特征,不同个体的进针力特征能否用一个力模型表示还需进一步验证.猪肝进针力模型的建立,可为实现机器人辅助人体肝脏穿刺手术中的进针控制和手术安全提供重要依据.     

基于粘滑驱动跨尺度精密定位技术的研究现状

目前跨尺度纳米定位技术在纳米操作、大规模集成电路制造和生物技术等众多领域都有着广泛的应用前景.该文对目前应用较多的宏微混合式驱动、压电超声马达驱动、尺蠖式驱动和粘滑式驱动这4种跨尺度定位技术驱动原理进行了介绍,并对其分辨率、速度、推力、尺寸、驱动器数量和结构6个方面进行了比较和分析,得出粘滑驱动以其驱动范围大,分辨率高,结构简单,体积小和集成度高等突出优点,适用于微纳操作领域.对目前国内外粘滑驱动在驱动原理、关键技术和样机实验方面的研究进行了分析,总结出目前粘滑驱动研究中的研究基础和不足,并提出了有待解决的问题和关键技术.     

基于LVDT的光学器件相对位姿检测方法

针对光学精密装配工艺特点,提出一种基于LVDT的三维相对位姿检测方法.采用4个对称分布的LVDT检测光学装配过程中球面镜与谐振腔体的位姿关系,根据LVDT的读数推导得出球面镜与谐振腔体的相对位姿.设计采用集成信号调理芯片AD598的LVDT处理电路作为位姿检测的控制系统,通过实验得出LVDT微位移检测的分辨率为0.1 μm,重复检测精度为±0.3μm,并能较好地跟踪方波及正弦波信号.采用PID算法实现球面镜的快速位姿定位.实验结果表明:当球面镜的加工及安装误差在允许范围内时,位姿检测系统可以在25 s内完成球面镜相对于谐振腔体的位姿调整,最大距离误差为0.5 μn,最大角度误差为8″,充分验证了基于LVDT相对位姿检测方法的可行性.     

基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究

针对灾后搜救及反恐侦查的特殊应用场合,提出了一种新型的爬壁机器人吸附方式一柔性静电吸附.该吸附方式利用电场力作为吸附力,通过柔性电极适应壁面粗糙度.针对柔性静电吸附方式的特殊性,首先分析了静电吸附电极的工作原理,并对其电场分布及吸附电容影响因素进行研究,对吸附电极优化设计方法给出指导.接着,利用BOPP柔性镀铝薄膜制作了吸附电极,并对其性能进行了测试.最后,设计了基于该吸附方式的原理样机机器人,验证了该吸附方式的可行性及广阔的应用前景.     

球基微操作器黏滑摩擦过程建模与分析

球基微操作器通过压电陶瓷管端部与微操作球之间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球三自由度的运动,这种摩擦运动中存在黏滑现象。在简化球面高副连接的条件下,建立了球基微操作器双质量摩擦振子等效工程模型,对球基微操作器黏滑驱动过程进行了阶段细分,基于等效工程模型及动态LuGre摩擦模型建立了黏滑摩擦过程的动力学方程。运用数值仿真方法分析了球基微操作器的参数特性曲线,进行了运动测试实验,进一步验证了分析的正确性。