基于微孔抽丝成型工艺的软体力/位传感器

提出一种全柔性力/位传感器的设计、建模和制造方法,并进行试验验证。该传感器可通过附着在待测物表面或嵌入其内部进行力位混合的测量。首先,创新性地将提出的微孔抽丝成型工艺引入到软体结构的制造中,构建出低成本、易实现的软体微通道成型工艺体系,通过试验比对,验证了该工艺在软体微通道成型中的优势,成功实现了全柔性传感器高性能快速制造。其次,基于该成型方法设计了双层斜置并行多条的微通道传感器结构,有效地提高了灵敏度及线性度。最后通过试验对该传感器的性能进行验证。试验表明该传感器伸长率在14%以内时,作为全柔性力传感器线性误差小于5%,灵敏度为16.95m V/N;作为全柔性位移传感器线性误差小于2%,灵敏度为5.56mV/mm。研究内容为全柔性传感器在实际应用中的结构设计和成型方法中有很大的参考价值。     

复合基底柔性光纤曲率传感器

为了实现生物医疗领域软体手术机器人等柔性机构的曲率测量,本文提出并设计了基于PVC(Polyvinyl Chloride,聚氯乙烯)和硅胶复合基底的光纤布拉格光栅柔性曲率传感器。将光纤光栅植入到硅胶片中,并将硅胶片粘贴在PVC基底的表面,形成基于PVC和硅胶复合基底的曲率传感器。使用标准曲率校准块对传感器进行了校准实验,测试不同曲率下传感器的反射光谱、波长漂移量等参数。为了证明PVC基底对植入在硅胶中FBG传感器的性能影响,对基于PVC和硅胶复合基底和基于硅胶基底的传感器进行了灵敏度和重复性的实验测试。实验结果表明:PVC基底可以提高植入硅胶中FBG曲率传感器的灵敏度和重复性,且基于PVC-硅胶复合基底的传感器灵敏度最高可达245.5pm/m-1,偏差指数不足3%。该传感器在生物医学等软体机器人和柔性机构的曲率测量中具有广阔的应用前景。     

一种仿章鱼腕足柔性模块的设计与运动控制

针对软体机器人由于刚度太低且是连续变形,故很难进行运动控制的问题,提出一种由形状记忆合金弹簧驱动的柔性机械臂。机械臂由３Ｄ打印制造而成,内部嵌入３个线性霍尔传感器,用于测量柔性臂弯曲运动。通过压缩补偿计算可以精确控制弯曲运动。实验结果表明,该柔性机械臂可以以较高精度进行三维运动。     

基于新型导电橡胶的三维力柔性阵列触觉传感器研究

针对目前多维阵列触觉传感器不能兼有柔韧性和测量多维力特征信息等难题,研究了一种基于导电橡胶的新型柔性三维力触觉传感器,通过检测橡胶的电阻变化来分析受力信息.该传感器的敏感单元采用"整体液体成型"的方法制作而成,操作简便,有利于触觉传感器的产品化.介绍了该传感器的基本结构及其工作原理,并对三维力的检测进行了仿真研究,结果表明该传感器能够实现对三维力信息的检测.     

一种基于微气囊结构的柔性三维力传感器的设计

提出了一种基于微气囊结构的柔性三维力传感器,该传感器基于硅橡胶材料设计了一种柔性传力柱结构,其底部均匀分布5个微气囊,通过测量这些微气囊气压值的变化来实现三维力的检测。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件建立了该传感器的仿真模型,分析了传感器在受力后微气囊气压变化情况,并采用BP神经网络算法进行三维力解耦,结果表明该传感器能较好地完成三维力的检测。     

基于改进的活动轮廓模型的胸膜接触型肺结节分割

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m~(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m~(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。     

光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m~(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m~(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。     

动压气浮马达轴承间隙测量设备

动压气浮陀螺马达轴承间隙尺寸是决定其运转性能的重要指标。为提高轴承间隙测量的精度和自动化程度,并实现快速批量测量,研制了一台动压气浮陀螺马达轴承间隙自动测量设备。采用外部加力方式,使转子体与定子产生相对位移,从而将内部气膜间隙转化为外部微位移。设备整体结构采用模块化设计理念,包括夹持模块、自动施力模块和位移测量模块。夹持摸块实现被测动压马达定子在两轴端的固定,采用柔性支撑方式有利于保护被测件和保证施加力的平顺性;自动施力模块主要由三维精密位移平台集成三轴测力传感器构成,测量时转子体与力传感器通过夹指连接,位移平台使转子体与定子产生相对位移,三轴测力传感器则实现施加力的精确控制和定子的调中心控制;测量模块由二维精密位移平台集成双电感测头构成,基于相对测量原理实现微小位移测量。实验表明:设备测量精度在0.3μm以内。该设备可以实现外力的可控连续加载,适用于批量测量。     

镓基液态金属柔性应变传感器的设计优化与实验验证

为了描述传感器微通道结构对传感器输出特性的影响，本文引入传感器横纵微通道长度关系的参数横纵比，综合考虑传感器中垂直和平行于应变方向的微通道中液态金属在应变下的电阻变化规律，建立了镓基液态金属柔性应变传感器数学模型。根据建立的数学模型，优化设计并制备了5种应变传感器样品，在40%应变范围内进行实验。结果表明本文建立的数学模型可以良好地预测不同微通道结构传感器的输出，并为设计优化高灵敏度传感器提供了方向。实验测试结果表明设计的应变传感器在40%应变时的灵敏度为2.01、滞后度为5.1%,且重复性和输出稳定性较高。将设计的传感器用于手指、手肘的关节运动检测，探索了镓基液态金属柔性应变传感器在关节运动检测方面的应用。本文为镓基液态金属柔性应变传感器在可穿戴领域中的应用提供了理论支持。     

基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正

提出了一种多维力传感器的静态自校正方法.将三轴加速度计静态应用,可以测得其敏感轴与重力加速度的相对夹角.将多维力传感器中集成三轴加速度计,在校正过程中,旋转施加着标准砝码的多维力传感器,测量力传感器的输出,同时通过三轴加速度计测量力传感器的旋转角度姿态,计算得到砝码重力施加在传感器E的力向量,最终自动地得到多维力传感器的校止矩阵.实验结果表明,该方法显著地提高了校正效率,但与通常的标定台校正方法相比,较正精度略低.     

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

柔性仿生手指关节的触觉力/角度感知

柔性仿生机器人的感知功能实现需要传感器可集成且具备一定的柔性，否则由于顺应性不足很难得到良好应用效果。在本文中，作者将柔性仿生手指作为应用载体，探索一种基于液态导电金属的柔性触觉力/应变感知纤维，可完全贴合载体，同时实现手指指尖触觉力和关节角度两个物理量测量。具体来说，本文将液态导电金属注入到一定长度的预制硅胶软管替代常规的微流腔道制作，进而形成管状且可任意变形和布局的柔性传感纤维，实现检测不同的变形物理量（本文中利用其力和应变感知性能），该方法在保证器件柔性和功能性的前提下也极大地降低微流腔道工艺的复杂性与繁琐性。最后，测量实验结果表明，基于液态导电金属的柔性传感纤维可嵌入并完全贴合柔性手指结构，并实现对手指的指尖触觉力感知（约1 600 kPa）和关节角度变化（约60°）同时感知及某一特定力/角度下的准确跟踪，展示了其作为柔性感知单元，可应用在更多类型的柔性或软体类应用载体的巨大潜力。     

基于微半球结构液态金属弹性体的柔性电容式压力传感器北大核心CSCD

为了提高电容式传感器的灵敏度,设计了基于微半球结构液态金属弹性体柔性电容式压力传感器。该传感器以液态金属(LM)和弹性体(Ecoflex 00-30)作为介电层材料,采用模板法构建出微半球结构弹性体表面,选用柔性印刷电路板(FPCB)作为传感器上下电极。研究分析了微半球结构和液态金属填料体积分数对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,掺杂40%体积分数LM的微半球结构传感器灵敏度高(0.721 kPa;)、检测极限低(<1.23 Pa)、响应时间短(<450 ms)、稳定性良好。该传感器可用于氢燃料电池气压泄漏检测。     

基于微半球结构液态金属弹性体的柔性电容式压力传感器

为了提高电容式传感器的灵敏度,设计了基于微半球结构液态金属弹性体柔性电容式压力传感器.该传感器以液态金属(LM)和弹性体(Ecoflex 00-30)作为介电层材料,采用模板法构建出微半球结构弹性体表面,选用柔性印刷电路板(FPCB)作为传感器上下电极.研究分析了微半球结构和液态金属填料体积分数对传感器灵敏度的影响.实...     

陀螺仪气浮轴承间隙测量系统

为实现陀螺仪动压马达气浮轴承内部间隙的精确、快速测量,研制了一套自动化测量系统.通过施加外力将轴承内部间隙转化为外部微位移,应用多测头相对测量方法间接获得内部间隙.系统中嵌入3个微力传感器,实现施力过程的闭环控制,保证力的连续、精确加载.采用自动翻转机构,实现径向、轴向间隙测量状态的自动转换,完成连续测量.为克服零件装夹中存在定转子相对倾斜而导致间隙转化不正确的问题,在轴向夹持部分引入柔性连接结构,同时利用转子体自重实现其与定子轴的自动找正,在测量过程中基于接触力和位移的双重反馈,实现零件平衡的自动精确调整,以保证内部间隙的正确转化.经实验验证,该系统测量精度在0.3μm以内,能够满足测量技术要求.     

高灵敏度大量程六维力传感器设计

为满足空间在轨组装望远镜地面装配试验的相关需求,综合考虑六维力传感器的量程、刚度和灵敏度等因素,设计了一种高灵敏度大量程六维力传感器。首先对经典十字梁六维力传感器进行数学建模,通过对比各通道单独作用时,应变梁表面应变和弹性体变形刚度的数学表达式,提出一套提高传感器灵敏度的改进方案;然后对传感器结构进行详细设计,并通过传感器的有限元仿真验证结构方案可行性;最后,对六维力传感器进行加工与标定,得到传感器线重复性误差小于0. 33%FS,力通道测量灵敏度大于0. 83 m V/V,力矩通道测量灵敏度大于2. 6 m V/V。该六维力传感器各项性能优良,目前已应用于在轨组装望远镜地面实验当中。     

基于 PVDF 三维力传感器设计

在现代机器人技术和柔性电子应用中,迫切需要具有高灵敏度、良好灵活性和三维力测量能力的柔性触觉传感器。本文提出了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的触觉传感器,实现动态三维力测量。传感器由3个夹角为120°的PVDF压电敏感单元构成3个压力敏感区,3个压电敏感单元安置在聚二甲基硅氧烷(PDMS)半球型结构的底面。从PDMS半球顶部传递的三轴接触力引起3个压电敏感单元的电荷分量发生变化,从而计算出接触力的方向和大小。本文推导了基于3个压电敏感单元触觉传感器的三维力算法,对所制备的传感器进行了标定,实现了三维动态力的测试。结果表明,角θ的平均误差为7.75%,角■的平均误差为12.17%,力F的平均误差为7.48%。该三维力触觉传感器在穿戴式电子产品、健康医疗、人机交互等领域拥有很好的应用潜力。     

新型机器人6维力／力矩传感器结构的刚度性能指标分析

提出了一种新颖的6维力/力矩传感器并联结构,应用并联机器人机构学理论求出其刚度矩阵,定义其刚度性能指标,并对其刚度性能指标进行分析计算,为该传感器的设计与应用提供理论依据。分析计算结果表明,该并联结构的6维力/力矩传感器是位移刚度和扭转刚度各项同性的,可应用到机器人手腕、手指和其它使用多维力/力矩传感器的场合。     

新型柔性触觉传感器阵列结构设计及仿真研究

基于新型力敏导电橡胶的压阻效应和力信息检测原理,设计了一种三维网状阵列结构的柔性力敏导电橡胶触觉传感器.通过分析得出计算三维力的数学描述,并针对多维柔性触觉传感器的阵列结构进行了有限元仿真研究,获得了在不同的三维力作用下中心节点坐标的三个方向位移变化量,并计算了三维力作用前后力敏导电橡胶阵列单元的输出电阻的变化,为验证实验结果和新型结构设计提供有效的依据.     

自感式拉力传感器理论模型与实验研究

基于逆磁致伸缩效应,在杆件结构弹性范围内改善了传统磁通量传感器的拉力测量方法,设计一种基于自感式原理的新型拉力传感器,建立传感器的理论模型,深入讨论拉力与自感电压之间的关系。为了准确获取自感电压和拉力的关系表达式,提出能够测量包含拉力信息的自感电压测试方法,合理地搭建实验测量平台。实验结果表明,在交流磁场的激励下,传感器的自感电压和拉力之间存在线性关系,针对所设计的便于安装的套筒自感式拉力传感器,在杆件结构弹性范围内进行6次重复性实验以减少误差,结果显示传感器的最大重复性误差为0.81%,传感器的灵敏度为14.6 mV/kN,自感电压和拉力的相关系数达到0.999,理论和实验相符合,进一步验证了理论模型的合理性。