FBG细径形状传感器的应变传递和精度实验

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用,如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等,其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度,本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面,形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明,封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加,黏结层外径的增加对其影响不大,验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中,改进了FBG形状传感器的形状重建算法,末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。

下肢表面肌电信号的降维和映射分析

肌电信号的采集和分析是外骨骼式康复机器人关节预测控制的重要基础之一。肌电信号数据量大并且复杂,相关性较高,信号处理通用性和高效性低,分析和预测人体运动信息误差大。采用最大自主等长收缩标准化处理算法,大大提高了表面肌电信号的通用性和泛化能力,并基于主成分分析方法,对肌电信号降维处理,利用神经网络实现与下肢的映射分析。实验结果表明,通过对比分析不同的降维处理方式,主成分降维后处理的肌电信号平均相关性达0.93,利用神经网络预测人体正常行走的下肢三关节运动角度,具有良好的可重复性和较高的精度,可以实现人体下肢肌电信号和各关节的映射控制。

大口径透镜姿态调整机构的支承分布设计

为了设计大口径透镜姿态调整机构,研究了三顶三拉调平结构布置方式的调节性能及其对受力变形和光束质量的影响。采用几何方法,得出了三顶三拉结构在任意三角形布置下升高量与调整角度变化的关系,定义了角度调整的相关系数;利用有限元分析软件分析了3类支承点布置情况下调节平板的变形情况。分析结果表明,三顶三拉调整机构具有调整量可计算的特点,当调节平板的尺寸为580 mm×570 mm×20 mm,采用等腰三角形支承点布置方式时,重力引起的最大变形为12.51μm。对采用了等腰三角形三顶三拉结构的透镜姿态调整机构进行了装校调试及打靶实验,结果证实了该布点方式对姿态调整的有效性和调整完成后精度的稳定性。

用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合

以光纤布拉格光栅（FBG）曲线传感器在结肠中的形状检测为背景,提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先,将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金（SMA Styrene Maleic Anhydride）基材周围,形成一根直径为3mm,长度为900mm的光纤光栅曲线传感器。接着,将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值,并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差,从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明：使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较,结果显示：在接近光纤光栅应变极限的情况下,使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差,为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。

ICF实验中靶位姿的视觉检测

惯性约束核聚变(ICF)实验中,靶定位精度直接影响打靶的成功率。本文利用三个CCD从不同的视角得到靶的图像,综合三个CCD的特征值计算靶的空间坐标和方位旋转矩阵,从而确定其在空间的六维位姿。对于特征值的提取,本文采用"模板匹配"和"椭圆轮廓拟合"相结合的数据融合图像处理技术,并利用双立方插值法实现了亚像素的测量精度,从而使微型靶的定位精度达到了微米级。实验结果表明,该检测方法稳定性好,定位的重复性误差小于1μm且获得了优于2μm的测量精度。

用于光栅拼接的微位移驱动器的精度分析

为了满足大尺寸衍射光栅拼接调整架精密调整的需求,设计了一种机械式微位移驱动器,它能够实现十几mm的大行程和纳米量级的定位精度。根据驱动器各零部件的性能参数和技术指标,分析计算了影响驱动器运动分辨率的因素及其大小。通过对机构爬行现象的分析,近似计算出由于导轨间动静摩擦系数不同导致的爬行量的大小。实验测试结果显示,驱动器的运动分辨率可达到10nm,运动过程中具有很好的重复性,而且驱动器可以长时间保持很好的稳定性。该研究结论对后期光栅调整架的设计具有很大的参考价值。

微小移动机器人研究现状及关键技术

微小移动机器人是当前机器人研究的一个热点 ,本文介绍了微小移动机器人研究现状和相应关键技术问题 。

靶准直器悬臂Y向调整机构受力和变形研究

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件,其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度,需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析,得到结构受力变形的理论关系式,可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性;基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化;利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明:Y向调整机构优化后,靶准直器静态Y向变形由原来的7.9μm减小至小于2μm,动态稳定性满足系统2μm/2h的稳定性要求。同时,试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致,验证了理论和仿真分析的正确性。

靶镜姿态调整机构三角支承受力和变形研究

终端光学组件中的靶镜姿态是保证激光打靶精度的主要因素之一,为了实现微米级的打靶精度,需要利用调焦模块中的调平机构对靶镜姿态进行调节。针对终端光学组件在靶球上倾斜安装的实际情况(±45°),对三顶三拉调平机构在等腰三角形支承布局下的螺栓组进行了受力分析,得到归一化等效拉力与特征尺寸比值的关系方程和关系图线;利用ANSYS软件对调平结构和调节平板进行了相应约束下的变形分析;利用星点检验法对实际研制的调焦模块进行了星点图检验。结果表明,特征尺寸比值H/l1存在一个特定的数值1/2,它区分了螺栓组的顶、拉主导性变化;从变形角度正立等腰三角形布局和倒置等腰三角形布局对应适合于上半球和下半球上的安装情况;星点检验结果证实了终端光学组件中的调平机构设计可以保证靶镜的变形引起的影响在允许的范围之内。

滚珠丝杠副动态测量仪中测量台系统的运动学设计

本文在剖析传统的滚珠丝杠副测量方法不足的基础上，提出了将测量台驱动运动、测量运动和螺母支承相分离以满足运动学设计要求的仪器方案．经实际应用证实了这种方案在提高检测精度和测量重复性方面的有效性，解决了１级精度（ＪＢ３１６２．２－９１）长滚珠丝杠副的检测难题．

本科毕业设计指导的研究型模式尝试

毕业设计是工程类本科教学的最后一环。由于其综合性、实践性、继承性等特点，作为工科教育的关键环节之一而受到重视。本文介绍作者所在的研究团队如何将研究生论文和科研工作合作指导模式移植运用到本科毕业设计和毕业研究课题中的基本思路和具体做法。分析了研究型毕业设计指导模式的内涵，阐述了从课题的确定．开题报告、定期的seminar、中期报告，毕业论文（设计）答辩、发表论文等多方面的实践感受和取得的主要成果。也在一定程度上分析了通过这种模式培养的学生毕业后的跟踪情况，其中有多名同学考取硕士研究生，毕业工作的同学形成了踏实工作积极向上的主流饭向。结果表明，通过这种模式对学生学业价值观的形成，各方面能力的提高以及对以后的事业生涯具有非常积极的作用和影响。本文还分析了这种模式可持续发展的制约因素，提出了不同层面需要解决的问题和需要努力的方向。

GRNN在肌电预测踝关节运动中的应用

下肢运动预测对于步行康复机器人患者主动训练控制系统的设计具有重要意义。提出一种基于广义回归神经网络(GRNN)的利用肌电信号预测踝关节角轨迹算法:分别用肌电图仪和三维运动捕捉仪同步采集踝关节做屈伸运动时周围五块肌肉的肌电信号和踝关节角度,并对肌电信号进行特征提取。基于主分量分析的数值算法对肌电数据进行降维,得到肌电主分量信号。基于肌电主分量信号利用GRNN算法预测踝关节角轨迹,用黄金分割搜索算法确定GRNN中的最佳平滑参数σ。采用小波消噪算法对踝关节角预测轨迹进行滤波以提高预测精度。用上述算法对9名志愿者进行实验的结果表明:该方法预测精度较高,与BP神经网络预测算法相比运算时间短且预测误差较小,因而更适用于下肢关节角轨迹的在线预测。

螺旋轮驱动的细小管内移动机器人研究

螺旋轮驱动的管内机器人是一种适合小口径管内移动作业的微小机器人形式。它由动力内置式螺旋运动机构和 Ｃ Ｃ Ｄ 摄像头／ 监视装置组成。本文分析了这种移动机构的运动和力学性能。经过对原理样机的试验测试，得到移动性能的实验数据，为开发适应φ２０ｍ ｍ 管径的螺旋运动机构提供设计依据。

基于阻抗控制的步行康复训练机器人的轨迹自适应

把阻抗控制理论运用到步行康复训练机器人系统中,使用基于位置的阻抗控制模型设计了系统的控制器.提出基于阻抗模型的步态轨迹自适应算法,并分析了系统的误差.在建立的SolidWorks、Matlab、Adams虚拟样机联合仿真平台上进行了主动康复训练的仿真实验,并在实物样机上进行了健康训练者的实验.结果表明,该控制器能够实现机器人根据人机交互作用力的变化不断调整步态轨迹,适应患者的步态要求,并可通过调节阻抗参数改变步态自适应程度和训练的柔顺性,满足患者主动参与康复训练的目的.

渐进式内窥镜形状的感知和重建

给出并分析了一种内窥镜镜体形状感知系统,特别是给出了曲率传感头的检测原理,及介入装置和控制子系统的设计。将中心波长为1539.234nm和1538.882nm的两根布拉格光纤光栅(FiberBraggGrating)封装在细径基材上,构成直径为3mm应变测量传感器。在介入装置作用下,传感器沿内窥镜活检钳道按平均速度30mm/s间歇式推进,并在介入过程中,每隔50mm等间隔距离采样传感器上的Bragg波长变化值,推算出各点的应变和空间曲率信息。最终运用基于离散点曲率信息的空间曲线拟合方法重建内窥镜镜体的空间形状。实验结果表明:系统原理的可行性,对圆形实验模型的测试表明,传感器插入1000mm后其末端在x、y和z方向上的误差分别为0.5mm、0.8mm和-3.4mm。同时也表明:介入人体的肠道内窥镜形状显示可极大地提高内窥检查安全性。

缝隙搜救机器人镜体的形状重建和定位方法

搜救机器人的路径形状重建和定位是在搜救过程中一项最基本的任务,但地下复杂的环境使得GPS信号完全不可用,因此必须找到一种可替代的方法解决。为建立一套完整的搜救机器人系统,提出了一种能够利用惯性导航传感技术对废墟缝隙搜救机器人镜体形状重建的方法,该方法在初始位置已知的情况下,融合移动距离和方向角进行积分,得到机器人镜体形状曲线,并将其显示在三维坐标中。利用该方法,可以有效地对搜救机器人定位,及时救援发现的被困人员。文中详细叙述了该方法的理论基础,并以此展开了仿真和实验研究。结果表明,重建的轨迹与模拟废墟送进路径达到了非常高的匹配度,在3.4m长度中定位精度达到了20 cm以内。

智能内窥镜的形状重建和可视化方法研究

利用磁场等方法进行腔道形状检测的内窥镜显形技术,通常是根据空间离散点位置来重建空间形状曲线,必须借助复杂的设备,成本较高。本文介绍了一种基于光纤光栅形变测试技术的智能内窥镜形状重建和可视化的方法,实现了基于曲率的曲线形状重建技术,并且具有硬件系统原理简单的特点,易于实现,对开发具有形状显示功能的智能内窥镜具有重要意义。本文主要内容包括了基于离散曲率的平面和空间曲线重建方法、典型曲线的实例验证、基于光纤光栅传感器的曲率检测方法、以及平面和空间实际形状检测的试验结果。

非开挖地下管线探测中的弯曲变形检测装置研究

提出了一种新型的利用光纤光栅传感器进行管线弯曲变形检测的方法。将两根布拉格光纤光栅成90°粘贴在一种细径弹性基材上,形成直径5 mm的弯曲变形测量传感器。然后将传感器封装在特殊的定心机构里面,初步解决了传感器检测过程中的定心和卸载问题。通过标定,得到两根布拉格光纤光栅中心波长变化值与传感器弯曲曲率的比例系数分别为524.0 733 和485.7 432。定心机构带动传感器沿被检测管线间歇式前进,在前进过程中,用光纤光栅解调仪每隔50 mm等间隔点上采样传感器的波长读数,经计算得到相应各点的应变和空间曲率信息。然后运用基于等距离离散点曲率信息的空间曲线重建方法重建出管道的空间位置形状。

“神光-Ⅱ”装置第九路靶场终端光学组件的研制

针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30μm和大焦斑辐照均匀性优于10%的要求,提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析,优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜,确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试,主激光瞄准精度达到28.9μm,大焦斑辐照的形状为1000μm×500μm,均匀性为12.0%。

帕金森病患者步态测量与定量分析

目的:提取帕金森病患者步态运动学和时空参数,通过实验分析找到可以作为步态量化评估的特征参数,为医生提供康复评估的依据。方法:本文采用基于刚体的虚拟标识点方法在受试者下肢解剖学关键点设置标识点获取其步态信息。受试者被分为开机组(DBS ON),关机组(DBS OFF)和对照组(Control),运动捕捉仪记录受试者多个步态周期的虚拟标识点三维坐标。提取包括关节角度、支撑相比率、双支撑相比率、步态周期时间、步频、步长和步速等在内的步态运动学及时空参数。对三组步态特征参数进行单因素一元方差分析。结果:各组间下肢各关节角度变化范围、支撑相比率、双支撑相比率、步长和步速差异均有显著性(P<0.01),且随受试者症状的减轻,关节角度变化范围、步长和步速有显著递增趋势(DBS OFF<DBS ON<Control),支撑相比率和双支撑相比率有显著递减趋势(DBS OFF>DBS ON>Control)。结论:基于刚体的虚拟标识点可以准确测量人体步态。提取出的关节角度变化范围、支撑相比率、双支撑相比率,步长和步速均可作为帕金森病患者康复评估的依据。