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关键词： 光纤Bragg光栅   力触觉感知   纹理识别   假手指尖  

摘要： 力触觉感知是机器人与外界环境进行交互的一项重要能力,也是当前机器人领域的重要研究方向。通过触觉感知,机器人能够与物体进行智能交互,并在非结构化和动态环境中理解周围环境。光纤光栅力触觉传感器凭借其直径小、抗电磁干扰、重量轻等优点,为精细化力触觉感知提供了一种有效的传感方法。因此,本文开展了基于光纤光栅的力触觉传感器的设计与开发,将光纤光栅传感器以创新性的封装方式集成在假手指尖,以提高假手指尖对外界的力触觉感知能力,帮助假手指尖对复杂多纹理表面进行准确地检测与识别。论文的主要研究成果如下: 1、基于人手指尖设计了一种可拆卸的新型触觉传感器模型,传感器模型整体分为两部分:模块一用来感知外界力触觉信息,选用柔性材料TPU制作而成;模块二用来支撑模块一的检测,选用了硬性材料ABS进行制作。然后对新型触觉传感器模型进行了静力仿真分析,验证模型设计的合理性。同时,基于光纤光栅独特的传感方式,创新性地设计了一种光纤光栅新型封装方式,将光纤光栅集成在假手指尖,并能够实现精细化力触觉感知功能。 2、为了验证本文所设计的新型触觉传感器具备良好的力触觉感知能力。首先设计了静力标定实验,并搭载了实验平台。然后分析了传感器传感性能的线性度、迟滞性、灵敏度和重复性等几项重要指标。最后利用制作好的新型触觉传感器分别进行了传感器加载实验和卸载实验,实验结果显示,该传感器具有良好的传感性能。其中,FBG3的传感性能最佳,FBG3在加载实验中灵敏度为51.1pm/N,在卸载实验中平均灵敏度为50.8pm/N,线性度为0.998,重复性为1.16%,迟滞性误差为1.28%。 3、该新型触觉传感器第二个功能是能够区分传感器滑过纹理时的不同速度,第三个功能是能够对不同复杂纹理进行识别分类。为了验证传感器具备这两项功能,设计并搭载了多纹理检测实验平台,通过五十组实验得到FBG中心波长和时间的时域图,再利用快速傅里叶变换对实验数据进行处理,得到对应的时频图。实验结果显示,通过观察时频图中能量条的颜色深度,可以识别检测不同的纹理;通过观察时频图中能量条的宽度,能够区分不同的接触速度。

关键词： 环形垃圾分拣系统   计算机视觉   机械臂控制   编码器   实验验证   分拣效率  

摘要： 文章提出了一种基于机器视觉的环形垃圾分拣系统，旨在解决传统垃圾分拣系统存在的堆积、分拣缺漏等问题。通过实验验证了该设计的可行性和有效性，为未来垃圾处理技术的发展提供了新的思路和参考。该系统结合计算机视觉、机械臂控制和编码器技术，通过精确控制机械臂和机械爪进行垃圾抓取，实现了高效、准确的垃圾分拣。实验结果表明，该系统在不同垃圾类型上的分拣率较高，具有较高的稳定性和可靠性。环形传送平台的设计提高了容错率和适应性，减少了系统工作压力。

关键词： 编码器   测试系统   校准方法  

摘要： 在工业控制领域，旋转式脉冲输出编码器通过旋转输出的脉冲数能够检测机械运动的速度、位置、角度和距离等参数。文章针对编码器需解决量值溯源的问题，在分析其结构、原理和输出特性的基础上，介绍了研发的角编码仪测试系统的原理与结构、校准方法和实验数据。

关键词： 激光器   中红外激光   氟化物光纤激光器   铒离子  

摘要： 以稀土离子掺杂光纤为增益介质的中红外光纤激光光源凭借其高输出功率、高光束质量及稳固紧凑的系统结构，在国防、医疗以及前沿科学研究等领域具有广阔的应用前景。掺铒氟化物光纤体系具有2.8μm和3.5μm两个重要的中红外发射带，其凭借着兼容半导体激光直接泵浦的便捷性以及成熟的光纤材料基础，成为中红外激光技术领域的重要研究方向。本文系统综述了中红外连续波掺铒氟化物光纤激光器的近期研究进展，对其在输出功率和效率提升以及工作波长拓展方面的代表性研究成果进行了梳理和回顾，并围绕现阶段的瓶颈限制简要展望了中红外掺铒氟化物光纤激光器的未来发展趋势。

关键词： 光纤传感器   氨气传感   氧化锌   卟啉材料   马赫-曾德尔干涉仪  

摘要： 氨气是一种生活中容易接触到的无色有毒气体,氨气泄露会对人体及环境产生巨大的危害,对氨气的实时监测具有非常重要的作用。光纤传感器近年来在传感领域成为一个热门话题,其具有的实时监控,低能耗等特点具有良好的应用前景。本文设计了一种基于腐蚀光纤的马赫-曾德尔干涉仪类型光纤传感器,通过在光纤表面制备氨气敏感膜来实现氨气传感。因倏逝场的存在,当敏感材料与氨气结合导致材料电导率发生改变时,会发生光谱信号改变,通过监测分析光信号变化来达到检测氨气浓度的目的。本论文的研究工作为: (1)使用腐蚀薄芯光纤(etching Thin-core Fiber)构建了一种结构为S-eT-S光纤传感器,通过对不同直径的透射谱进行模拟仿真,结果表明当光纤直径减小,光谱会发生蓝移,与实测结果吻合。直径85μm,65μm的波形良好与直径为125μm的空白组进行折射率灵敏性对比,仿真结果表明随着折射率的增大,透射光谱均出现红移现象,且光纤直径越小折射率灵敏度越高,通过配制不同折射率的甘油溶液实际验证,证明仿真与实际的趋势一致,实测的透射谱灵敏度分别为109.68 nm/RIU(125μm),159.41 nm/RIU(85μm),246.41 nm/RIU(65μm)。最后测试了S-eT-S结构光纤的抗温度干扰能力,实验结果表明,在20-60℃温度范围内,直径为125μm,85μm和65μm的光纤特征波长偏移量分别为0.635nm,0.315nm和3.035nm。综上,选用综合性能良好的85μm的腐蚀光纤用于后续构建气体传感器。 (2)在(1)中提出的光纤结构基础上,通过在光纤上涂覆Zn O/TMP(5,10,15,20-四(4-甲氧苯基)-21H,23H-卟啉)复合材料构建了光纤氨气传感平台。氧化锌由水热法合成,通过XRD、UV-Vis、FTIR及SEM对复合材料进行表征,结果表明合成了圆球状氧化锌,且氧化锌与TMP成功复合,该复合膜在光纤上的膜厚为3.515μm。对氨气的传感结果表明,传感器暴露在0-600 ppb浓度的氨气中时,透射光谱中的特征波长随着浓度的增大呈现规律的红移现象。通过计算得到传感器的灵敏度为0.7095 pm/ppb。通过测试空气中其他几种气体对氨气传感器的干扰性,证明该传感器对氨气具有较高的选择性。该传感器在14天内时间稳定性测试结果表明其最大波动偏移量为0.240 nm,温度稳定性测试结果表明在25-50℃内波长偏移量为0.220 nm。 (3)为了改善成膜质量,通过静电吸附,制成了基于硅烷偶联剂APTES((3-氨丙基三乙氧基硅烷)修饰的Zn O/TPPS(四苯基卟啉四磺酸)材料的光纤氨气传感器。通过水热法合成了六方柱状的纳米氧化锌,通过UV-Vis和FTIR结果表明修饰后的氧化锌与TPPS成功复合。传感结果表明,传感器在浓度为5-35 ppm的氨气中具有良好的响应能力,透射光谱中的特征波长随着浓度的增大呈现规律的蓝移。通过拟合计算结果表明,传感器的最大灵敏度为0.621 nm/ppm。气体选择性测试证明该传感器在大气气氛下具有良好的选择性。整个系统在14天内的波动偏移量为0.56nm,25-50℃内波长偏移量为0.225 nm。

关键词： Swarm intelligence  

摘要： A novel intelligent optimization algorithm inspired by nature, called sea otter optimization algorithm (SOOA), is proposed. The SOOA simulates the natural behaviors of sea otters, such as using tactile senses to search for food in seawater, grooming their fur, feeding with the aid of stones, and escaping from danger. In the exploration stage, a wetness factor is introduced to control the behavior of sea otters in foraging and grooming; a danger factor is introduced to control the behavior of sea otters in feeding and avoiding dangers in the exploitation stage, and the behaviors of sea otters in responding to different dangers are mathematically modeled. The proposed algorithm is compared with 9 well-known intelligent optimization algorithms, and evaluated in 13 benchmark functions as well as wireless sensor network coverage optimization problems to verify the effectiveness of the proposed algorithm. The experimental results show that the node coverage after SOOA optimization reaches 91.2% in 2D environment and 90.47% in 3D environment. Compared with other algorithms, SOOA is superior and possesses the ability to solve complex optimization problems. © Shanghai Jiao Tong University 2024.