1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 机器人研究所,上海20620
2 上海市大型构件智能制造机器人技术协同创新中心,上海0160
为拓展光纤光栅在机器人智能感知领域的应用,设计了光纤光栅感知护具并研发了光纤光栅波电转换系统及其人机仿生跟随的交互操控算法。感知护具中设置有3个光纤布拉格光栅传感单元,主要包括弹性绳的拉力环。通过拉力环对光纤光栅施加预紧力,可有效避免由于衣物或皮肤聚集引起的牵引力方向偏移。光纤光栅波电转换系统对人体手臂的肘关节弯曲角度、腕关节俯仰角度、指关节开合角度进行运动姿态特征提取,分别对应控制机械臂的方向、高度和机械爪开合角度。构建了人体手臂运动角度范围和机械臂运动角度量程的对应关系,获取了检测系数和控制系数,最终通过动态实时波长与PWM控制电信号的转换推导出系统的波电转换系数。实验结果显示,在实验量程内,机械臂的方向、高度、开合控制输出的波电转换系数最大累积误差分别是0.771 11%,1.992 91%,0.341 17%,3个控制角度的输出偏差分别为1.135 60°,1.720 56°,1.826 57°。光纤光栅波电转换的仿生跟随方法具有良好的控制精度,实现了机械臂运动与人体手臂运动的仿生跟随,为智能机器人仿生跟随的深入研究奠定了理论基础。
光纤布拉格光栅 仿生跟随 波电转换 姿态特征 optical fiber Bragg grating bionic tracing wave-electric conversion posture feature 光学 精密工程
2023, 31(23): 3414
1 上海工程技术大学机器人研究所,上海 201620
2 上海工程技术大学数理与统计学院,上海 201620
微创医疗与普通医疗相比具有显著的优势,尤其是微创手术能够减少术中失血和创伤,改善术后恢复,减轻病人疼痛和医生疲劳等。近年来,适用于微创医疗的机器人辅助医疗系统已成为世界各国的研究热点之一。光纤布拉格光栅传感器不仅易于集成,而且具有抗电磁干扰、线性度良好、波分复用等特点,这些使得它超越压阻传感器、电容传感器、压电传感器等传统的电信号传感器,在微创医疗智能机器人领域具有广阔的发展前景。本文对光纤布拉格光栅传感器在微创医疗中力触觉感知和温度感知的应用发展做了详细的叙述,并对其存在的问题和发展前景进行了分析。
光纤光学 光纤布拉格光栅 微创医疗 力触觉感知 温度感知 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1300004
1 1.中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083
2 2.中南大学 冶金与环境学院, 长沙 410083
石膏是雕像、建筑和铸造模具(合金和陶瓷)的常用材料。采用直写成型(Direct Ink Writing, DIW)打印石膏可避免其他3D打印技术(如Binder Jetting, PBBJ等)中存在水化反应不充分等问题, 获得高强度3D打印石膏。为了延缓水化反应获得充足的打印操作时间, 本研究通过添加缓凝剂和增稠剂, 研制了一种适用于直写成型的石膏浆料, 并打印了多种石膏三维结构(如蜘蛛网和木材堆积结构等)。结果表明, 质量分数为0.6%柠檬酸(Citric Acid, CA)的缓凝效果最好, 极大地减少了石膏流动性的经时损失。质量分数为0.3%羟丙基甲基纤维素(Hydroxypropyl Methylcellulose, HPMC)的增稠效果最好, 使石膏浆料具有良好的打印性能。CA的选择性吸附使得石膏晶体定向生长, 延长水化反应时间, 但一定程度降低石膏强度。HPMC加速石膏浆料中絮凝结构形成, 导致其粘度和剪切弹性模量升高。直写成型3D石膏件的抗压强度约为20 MPa, 远高于PBBJ等方法制备的石膏件的抗压强度。
直写成型 石膏 缓凝剂 增稠剂 流变性能 铸造 direct ink writing gypsum retarder thickener rheological property casting
1 南昌大学机电工程学院江西机器人与焊接自动化重点实验室,江西 南昌 330031
2 上海工程技术大学机械与汽车工程学院机器人研究所,上海 201620
基于倾斜光纤光栅模式耦合理论,采用OptiGrating软件仿真分析了倾斜光纤光栅(TFBG)在不同环境折射率下的光谱特性变化。结果表明,当外界环境折射率小于包层模折射率时,TFBG的纤芯模和包层模都会存在;当外界环境折射率大于等于包层模折射率时,只有纤芯模存在,包层模会消失。在蒸馏水、无水乙醇、红花油、花生油和大豆油溶液中,TFBG的光谱特性实验结果与仿真结果一致。研究结果对装有大折射率液体的管道泄漏的实时监测具有一定的指导意义。
光栅 倾斜光纤光栅 折射率 透射光谱 包层模 纤芯模 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1105003
南昌大学 机电工程学院 江西机器人与焊接自动化重点实验室, 南昌 330031
以悬臂梁为核心结构设计了一种简单实用的滑觉感知单元.利用3支光纤布拉格光栅的中心波长差值的方差, 以及波长偏移的大小和方向进行滑动判知, 以实现滑动过程接触力变化、滑动速率与方向的检测.实验结果表明, 在0.2~1 N的接触力范围内, 该滑觉感知单元对微小的滑动有良好的检测效果, 最小灵敏度可达3.8 pm/mm; 滑动灵敏度、速率比例系数以及接触力的实验值与理论值的平均相对误差分别为6%、14%和6.6%.
光纤布拉格光栅 悬臂式传感单元 波长差值 方差分析 滑觉感知 Optical fiber Bragg grating Cantilever sensing unit Wavelength difference Variance analysis Slip sensing
南昌大学 机电工程学院 江西省机器人与焊接自动化重点实验室, 南昌 330031
以杠杆悬臂传感梁为基础, 设计了支点可调式称量传感单元, 通过调节支点位置实现不同量程的称量传感灵敏度可调控制, 并且可以实现温度误差补偿.理论分析表明, 结构一定的传感单元, 支点与支座间距离存在临界阈值, 当支座间距离等于该阈值时, 称量传感灵敏度等于零; 随着支座间距离的增大灵敏度逐渐减小并趋向于稳定.实验表明, 在0~200 g的范围内, 称量传感的平均线性度大于0.998, 理论灵敏度与实验灵敏度之间的平均相对误差为6.46%, 可满足不同量程的不同灵敏度的称量应用.
光纤布喇格光栅 称量传感 杠杆式悬臂 灵敏度可调 量程可调 Optical fiber Bragg grating Weighing sensing Lever cantilever Adjustable sensitivity Adjustable range 光子学报
2017, 46(10): 1006001
离子通道蛋白作为神经系统的重要组成部分, 在早期神经细胞发育中的作用却没有被研究过。基于神经发育在果蝇与小鼠间的保守性, 果蝇幼虫大脑视觉中心可作为很好的模型来筛选参与神经干细胞行为调节的基因。文章通过体内RNA干扰和失活突变体来研究重要的钙离子通道和钾离子通道蛋白对神经干细胞的调节作用。结果表明, 这些蛋白表达水平降低和shaker蛋白完全失活均对果蝇幼虫大脑神经干细胞的发育无影响。
果蝇 幼虫 神经上皮干细胞 离子通道 Drosophila larva neuroepithelial stem cell ion channel
1 南昌大学 机机器人与焊接自动化重点实验室, 南昌 330031
2 南昌航空大学 信息工程学院自动控制系, 南昌 330063
光纤光栅传感器具有许多独特的优点, 在工程中被广泛应用。但裸光纤光栅细小质脆容易损伤, 使用中必须对其进行有效保护, 因此有必要对光纤光栅传感器进行封装, 这样既保护光栅, 又可以实现其他功能。分类阐述了光纤光栅传感器封装技术的最新进展, 并对其优缺点进行了分析和讨论。
光纤光栅 封装 增敏 交叉敏感 fiber Bragg grating encapsulation sensitization cross sensitivity