碳黑/聚氨酯柔性传感器制备及其迟滞补偿方法

提出一种基于碳黑/聚氨酯复合材料的柔性传感器制备方法. 传感器工艺简单且价格低廉,可批量生产. 静态及动态电阻偏移量仅为1.18% 及1.01%;传感器可被拉伸至原长的100%;因此,该传感器具备良好的稳定性以及拉伸性,可应用于指关节、腕关节等弯曲测量. 针对传感器具有的迟滞非线性问题,结合一类不对称的模型算子,建立基于碳黑/聚氨酯复合材料的柔性传感器的迟滞逆模型,在此基础上对传感器进行前馈补偿研究.实验结果表明,采用该方法能够很好的补偿传感器在长期使用过程中的迟滞非线性,传感器输出的均方根误差下降96.63%,与构建经典Prandtl-Ishlinskii(PI)模型补偿传感器迟滞相比,均方根误差下降52.38%.     

一种电磁耦合集成角度传感器的关键模块设计

设计了一种基于电磁耦合原理的集成角度传感器.该传感器由两块电路板与一片专用信号处理芯片组成,在电路板上实现了激励线圈、接收线圈和反馈线圈的设计,通过交变电磁场之间的电磁耦合完成角度信息的转换.传感器芯片设有增益编程模式、零度标定模式,可消除制作工艺与装配过程带来的误差,并实现零度标定;以CORDIC算法为核心设计了角度解码电路,经过误差补偿,大大减小了CORDIC算法在反正弦运算中的误差.经实验测试,数字电路组成的关键模块工作正确,其角度解码范围为0°～120°,误差小于0.05°,满足传感器0.5°的整体设计要求.     

FBG传感器在公路柔性基层应变监测中的应用

在山东某高速公路路段柔性基层埋设光纤光栅传感器,以进行柔性基层结构的应变场测试.根据高速公路铺设中的实际情况提出传感器埋设方案,成活率达100%.当汽车通过时,对应变场进行监测,测试结果表明:监测结果与路基所受应力相符,光纤光栅传感器用来测量高速公路柔性基层应变具有明显优势.     

电动多旋翼无人机转向能耗测试系统设计与试验

本文针对电动多旋翼无人机的能耗测试,设计了一种基于单片机的无人机转向能耗测试系统。该测试系统主要由角速度传感器,功率测量模块,无线通讯模块以及单片机等部分组成,并基于LabVIEW软件设计了上位机程序,以实现对测试过程数据的实时显示和保存。对系统进行试验表明：系统数据采集频率为100 Hz,电压测量精度为99.93 %,电流测量精度为99.87 %,转向角度测量精度为98.10 %,可见该系统测量精度较高,能满足电动多旋翼无人机转向能耗的测试及相关数据的获取。     

基于塑料光纤和棱镜结构的光纤式转速传感器

介绍了一种基于塑料光纤和棱镜结构的光纤式转速传感器,以提高机车轴端速度传感器的绝缘耐压等级和抗电磁干扰能力.传感器使用塑料光纤,以提高耐振动性能,并降低成本;在每个通道中使用2片直角棱镜以减小传感器体积;在一个模块中集成多组光纤,通过控制光缝的位置误差来控制通道之间的相位差,以简化制造工艺.试验结果表明,该传感器的测量性能满足要求,耐压等级被提高到10000 V以上.     

基于安全性考虑的五自由度外骨骼式上肢康复机器人自适应控制

针对一类具有特殊安全性要求的五自由度外骨骼上肢康复机器人,研究了一种自适应控制策略。该机器人协助患者的肩、肘、腕关节进行关节运动,以达到上肢运动功能康复的目的,因此,在整个康复训练中如何保证患者安全是机器人控制策略的重点。为确保良好的跟踪性能,所提出的控制策略具有在模型不确定条件下的鲁棒性;为进一步提高系统在大参数变化以及执行器故障时的安全性能,提出了一种在线更新的自适应控制器。该控制器仅需要进行位置测量实现输出信息反馈,而速度和加速度通过观测器估计得到,不需要依靠其他传感器信息。设计了一个参数可调和有界误差的轨迹跟踪实验,仿真结果验证了本控制方案的有效性。     

精密运动平台的五自由度误差同时测量方法

提出一种同时测量运动平台五自由度误差的方法。采用准直的激光光束作为基准,仅以角锥棱镜作为误差测量的敏感器件,由1个斜方棱镜和聚焦透镜并辅以光电位移传感器组成测量系统。研究结果表明:直线运动平台2个直线度误差和3个角度误差可同时测量,且测量头无电缆连接;测量直线度误差的分辨率小于0.1μm,角度误差的分辨率小于1″;直线度和角度测量精度分别达到1μm和5″。测量系统结构简单,易于安装和调节,适用于运动平台多自由度误差精密测量。     

CATIA运动仿真的研究与应用

利用CATIA运动仿真模块(DMU Kinematics)可对已装配好的三维数模进行准确的运动仿真。用户可依照运动学原理,通过该模块提供的各种接头(Joint)创建约束自由度建立运动机构,并且分析机构的运动状态与运动轨迹。通过测试飞机舵面运动角度的实例,说明该模块在测试传感器量程选择、测试传感器安装支架设计等方面的应用。最后,利用运动仿真验证整个测试过程的合理性。     

激光三维加速度传感器的结构设计

目前的研究及工程场合对三维加速度的测量提出更高要求,针对于此提出了一种新型加速度光纤传感器的设计,它以弹性平膜片与角锥棱镜的组合作为敏感元件,利用二维角度激光测量及迈克尔逊干涉原理,可以在较高精度下同时提取并实时测量三维加速度信号.对该传感器进行了系统的理论研究,给出了该三维加速度传感器的结构设计、测量原理以及其参数和性能指标.这种新结构的激光加速度传感器,可望在较恶劣工作环境下的发动机故障检测,运动制导等领域中发挥重要作用.     

一类轴孔装配混联柔性机构构型综合

被动装配是实现轴孔高精度配合的重要方法之一,其基本原理为柔性装配机构针对外界装配力与装配反力做出自适应柔顺变形,补偿由于工业机器人定位误差导致的轴孔中心线位移偏差及倾角偏差.作为被动装配方法的核心使能部件,柔性装配机构的性能直接决定装配成功与否,为此,开展了一类基于五自由度混联柔性机构轴孔装配的方案设计和柔性机构构型综合研究.该机构由分别具有2T1R(T表述移动运动,R为转动运动)和3R自由度运动的柔性并联模块串联组成,并采用片弹簧作为实现柔顺变形的基本柔性单元.在整体方案设计的基础上,以旋量作为数学工具,提出一种并联柔性机构构型综合的一般流程,讨论在片弹簧不同变形情况下的支链组成形式,拟定支链装配条件.结合实际工况,本文优选出3-RFS-3-RFS作为轴孔装配的柔性机构,利用有限元软件对得到的机构进行仿真以验证机构自由度及各向柔度,仿真结果表明该机构具备五自由度且各向柔性差异小于0.05%.搭建了轴孔装配实验台,装配实验结果表明对于直径为20 mm与10 mm的轴孔对,装配成功率分别可达90%与70%.     

具有角度补偿功能的便携式电子称量勺设计研究

目前市面上的电子称量勺易受倾角影响,稳定性和精度不高。设计了一种具有角度补偿功能的便携式电子称量勺。该设备由电源模块、功能按键模块、压力传感器模块、陀螺仪角度检测模块和显示模块构成。系统初始化完成后,单片机对采集到的勺体倾角进行卡尔曼数字滤波,而后对压力模块数据进行角度补偿,最后将当前称量信息在LCD1602显示。实验结果表明,新型电子称量勺受倾角影响较小,在测量过程中具有较高的稳定性和精度。     

基于光纤传输技术的高压纳秒脉冲测量系统的研究

测量高压纳秒脉冲时,采用同轴电缆传输受电磁干扰严重,测量精度不高,光纤传输可有效克服此缺陷。叙述了光电转换、光纤传输测量系统的原理,给出了光发射模块及接收模块的电路结构,并用电路仿真软件Multisim进行了仿真。对所设计的光纤传输测量系统与同轴电缆传输测量系统进行了对比试验,光纤传输测量系统具有抗干扰能力强、测量精度高、长距离传输不失真等优点。     

一种非接触式平面应变测量传感器的设计

设计了一款应变测量传感器,该应变测量传感器由安装在同一印制板上的三个专用芯片组成,每一个专用芯片上的CMOS感光器用于测量所在位置上的平面位移量.通过对传感器的建模分析,确定了传感器的结构设计,并针对设计传感器的误差来源,研究了传感器与被洲表面的粘贴方式和误差修正方法.实验表明,设计的传感器能够实现毫米级形变范围内的应变测量要求,同时设计的传感器可以作为一个传感器节点,应用于无线传感的应变监测网络中.     

基于双姿态传感器的关节运动角度测量方法

针对单自由度关节运动角度测量精度制约于传感器安装姿态的问题,文章以肘关节相对运动角度为测量对象,提出了一种基于双姿态传感器的关节运动角度测量方法。通过欧拉角法建立相应的数学模型,详细阐述了运用双姿态传感器对关节运动角度进行测量的测量原理;并通过静态验证实验与动态对比实验对该测量方法进行了验证。实验结果表明:采用该方法对关节相对运动角度进行测量,于传感器安装姿态无任何特殊要求,测量精度可以达到±0.5°,在实际测量应用中切实可行。     

面向柔性机器人的串联式变刚度驱动器设计

为了提高柔性机器人的动力学性能,设计了一种基于变支点杠杆原理的旋转式串联变刚度驱动器.设计中心对称式刚度调节机构,降低了驱动器内部的摩擦力;通过双层轨道设计,克服了支点与其他受力点间的几何约束,实现零到无穷大的刚度变化范围;引入对称式阿基米德螺线凸轮槽机构保证了两个支点同步运动.在此基础上,建立驱动器动力学模型,设计积分比例(PD)控制器并对驱动器的性能进行了评估.实验结果表明:在-100°～100°运动范围内,驱动器的位置跟踪误差均方根值为0.25°;在10～110 N·m/rad刚度调节范围内,刚度跟踪误差均方根值为0.55 N·m/rad.     

高灵敏度离子皮肤手指关节角度传感器的设计

为解决柔性传感器监测手指关节运动时灵敏度、测量范围及阈值有限的问题,设计并制备了一种多介电层(3层)结构形式的离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成,当穿戴传感器的手指关节弯曲时,根据应变引起其电容信号的变化,可测得手指关节弯曲角度。构建多介电层结构形式的离子皮肤应变传感理论模型;推导多介电层离子皮肤手指关节角度传感器的角度传感理论模型;测试传感器输出与手指关节角度关系。实验结果表明,传感器角度传感理论模型与测试结果吻合较好;传感器灵敏度为单介电层离子皮肤手指关节角度传感器的3.5倍,测量范围囊括手指关节从展平到完全弯曲状态角度,阈值小于1°,具有灵敏度高、测量范围广和阈值低的特性。离子皮肤多介电层的结构形式及理论模型对康复训练患者及微操纵机械手的精准测量具有较好应用前景。     

基于CAV444的电容式油位传感器的设计与优化

在传统电容传感器液位测量的基础上,采用了一种基于CAV444电容-电压转换芯片的液位测量方式,在此基础上提出并验证了一种新的误差补偿方案。综述了电容传感器的工作原理,设计了电容传感器的液位测量电路。误差补偿传感器将高度补偿值转换成相应电容信号再与油位电容信号一起输入到转换电路转换成电压信号输出。实验测试证明,该测量系统性能可靠稳定,最大非线性误差1.14%,测量线性度好;误差补偿后引用误差为1.17%,测量准确度高,应用前景广泛,能够满足大多数工业现场液位测量的需求。     

光纤激光干涉测速

为了测量运动物体的速度,基于多普勒效应构建了光纤速度干涉仪.系统由光源发射器与接收器、非对称马赫-曾德尔光纤干涉仪、光电接收系统、数据处理4个部分组成.光电接收探测器采集不同时刻运动物体的反射光波形成的干涉条纹,通过对数据进行分析和计算,获得运动物体的运动速度和加速度剖面.在霍普金森杆测量实验中,为获得具有良好对比度的干涉条纹,激光光源谱带宽应优于50kHz,功率稳定度为0.07dB,测速范围和测量精度由光纤干涉仪的延迟光纤长度决定.干涉仪的标定可通过测量延迟光纤长度为100m时的条纹常数来实现.测量结果表明,由干涉信号求得的膛口速度和由光触发脉冲求得的膛口速度之间的误差在1‰以内.     

晶格型模块化软体机器人自重构序列

设计了一种基于膨胀-收缩运动规则的晶格型自重构模块化软体机器人.机器人由多个软体模块组成,每个软体模块由呈正六面体构型的硅胶主体和主从对接面组成.软体模块内部的凸起设计使其具有良好的膨胀性能,主从对接面是由与硅胶主体螺纹连接的铁盘、吸盘式电磁铁组成.基于软体模块体积变化与内部压强的关系式,对软体模块的充气膨胀进行分析,建立了充气气压与软体模块膨胀量之间的映射关系,获得相邻两软体模块连接所需的充气气压.每个软体模块在工作气压为30 kPa的情况下能够膨胀1.5倍,使用电磁铁连接及软体模块的膨胀-收缩运动规则实现相邻两软体模块的对接与分离,多个相邻软体模块的依次对接和分离可以实现模块化软体机器人的自重构.通过软体机器人自重构实验验证机器人自重构的可行性.     

基于双目视觉的柔性线缆运动检测方法及误差分析

研究大长径比柔性线缆的运动轨迹测量.根据线缆的几何特征和运动特点,提出了一种基于中心线匹配法的双目视觉运动检测方法,分析了该方法测量流程中的标定、匹配和重构误差之间的关系,建立了测量系统的几何误差模型并推导了误差估算公式,同时设计了一种误差校核方法.对该方法进行了实验验证,结果表明误差估计值0.11mm与实测误差值0.09mm接近,满足工程要求.