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  • Vol. 32  期 19， 2024 2024年 32卷 第19期

    • 现代应用光学

      “在深腔狭小空间手术领域，专家提出了入路姿态光纤导航的经鼻柔性手术机器人，实现了手术机器人术中形位高精度自感知，验证了其有效性和可行性。”

      李天梁,朱永文,李佳隽,王峻,孟伟,谭跃刚

      DOI：10.37188/OPE.20243219.2861
      摘要：针对深腔狭小空间下传统经鼻手术操作灵巧性不足、术中入路导航信息匮乏等问题，提出了入路姿态光纤导航的经鼻柔性手术机器人。采用柔性球铰串联和销钉-滑槽配置，设计出兼具灵巧和抗扭扰动的柔性机械臂构型，结合几何分析和D-H参数法建立了手术机器人正、逆运动学模型；通过在各柔性机械臂内间隔90°嵌入两路分布式光纤导航传感器，联合双目视觉和极限学习机提出的数据驱动的入路姿态光纤原位标定法，避免了传统离线标定导致的测量误差及基于微分几何理论获取其姿态方法中误差累积的问题，实现了手术机器人术中形位高精度自感知。实验结果表明：柔性机械臂的极限弯曲角度可达105°，弯曲角80°范围内容许负载为0.9 N；通过光纤导航，在自由和障碍物环境中，柔性机械臂末端最大位置预测误差分别为0.920 mm，1.635 mm，验证了本文提出的入路姿态光纤导航的经鼻柔性手术机器人有效性和可行性。  
      关键词：光纤导航;柔性手术机器人;极限学习机;位置跟踪   
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      更新时间：2024-11-20
    • “在空间高功率激光领域，专家建立了相变热控系统，为快速散热提供解决方案。”

      上官爱红,张昊苏,曹钰,谢友金,张海洋,姜泳帆,王熹,苏盛明

      DOI：10.37188/OPE.20243219.2877
      摘要：为了实现空间高功率激光二极管泵浦源阵列的快速散热，建立了空间高功率激光二极管泵浦源阵列相变热控系统，对热控系统的热界面材料（TIM）、紫铜热沉、相变材料、相变增强材料、主动加热回路和太空辐射板进行了研究与设计。首先，介绍了激光二极管泵浦源阵列的热特性与热控指标，从而提出热控设计思路，详细设计了热控系统，并在有无泡沫铜填空的条件下制定了两种热控方案。然后，用NX软件分析了两种不同的方案。分析结果显示：不填充泡沫铜方案的整个相变过程在800 s完成，LD上的温度最高达到59.98 ℃，相变材料上表面温度最高达到47.12 ℃；填充泡沫铜方案在200 s内完成相变过程，LD最高温度为38.35 ℃，并且LD在360 s后和相变温度点温度一致。填充泡沫铜方案可以满足10~40 ℃的温度指标要求。最后，根据填充泡沫铜方案设计加工了激光二极管泵浦源阵列热控系统，通过实验验证，该系统可以满足空间高功率激光二极管泵浦源阵列快速散热要求。  
      关键词：空间高功率激光器;激光二极管;泵浦源阵列;相变热控系统   
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      更新时间：2024-11-20
    • “在高频高功率器件领域，通过飞秒激光退火优化SiC界面电学性能，实现了肖特基势垒和载流子浓度的显著变化。”

      任瑜启,岳云帆,李盛,柴年垚,陈襄玉,曾终乐,赵峰毅,王欢,王学文

      DOI：10.37188/OPE.20243219.2889
      摘要：改善SiC与金属界面间的电接触性质有助于推动SiC材料在高频高功率器件领域的发展。采用波长为1 030 nm近红外飞秒激光退火处理4H-SiC表面，研究了不同激光参数对退火效果的影响。通过扫描电镜、X射线光电子能谱仪、共聚焦拉曼光谱仪等分析表征手段，探究了飞秒激光退火样品的表面形貌、元素分布及成键结构的变化。研究发现，接触界面电学性能的变化来自于激光退火产生的无序石墨结构以及具有O空位缺陷的SiOx/Si结构，这种结构不仅降低了界面肖特基势垒高度，提升了界面电导率，而且改变了4H-SiC表面的费米能级，从而大幅提升了界面电学性能。通过飞秒激光退火，实现了SiC界面肖特基势垒从1.43 eV到0.69 eV的变化，载流子浓度从5.40×1013 cm-3变化为1.77×1018 cm-3。本研究开发了一种利用超快激光退火优化SiC界面电学性能的有效方法。  
      关键词：飞秒激光;碳化硅;接触界面;肖特基势垒   
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      更新时间：2024-11-20

    • 微纳技术与精密机械

      “在协作机器人领域，专家提出了一种集成于谐波减速器内部的扭矩传感器，通过有限元分析和响应面模型优化敏感栅结构，实现了高精度的负载扭矩感应，为机器人关节力控制和系统集成度提升提供了有效方案。”

      王晓东,杜志杰,沈文强,高海龙,刘玉杰,娄志峰

      DOI：10.37188/OPE.20243219.2899
      摘要：为实现协作机器人关节力控和提高集成度，提出一种集成于谐波减速器内部的扭矩传感器，以精确获取关节输出扭矩值，推动智能化控制的实现。采用有限元计算方法分析了谐波减速器柔轮底面应变与加载扭矩之间的规律；然后根据有限元分析的结果，考虑柔轮底面敏感栅在不同栅丝长度、栅丝间距和栅丝位置情况下，建立底面应变与扭矩变化皮尔逊相关系数的响应面模型， 求解模型获得最优的敏感栅结构参数，确保该结构下集成式传感器具有最佳线性响应，结合惠斯通电桥原理设计扭矩传感器结构；最后，对集成式扭矩传感器进行标定和测试。结果表明：集成式扭矩传感器的灵敏度为0.249 mV/N·m，线性度为0.999 74，迟滞误差为2.19%。施加0~70 N·m之间阶梯变化的负载扭矩并进行重复实验，集成式扭矩传感器相对于标准扭矩传感器均方根误差为0.89~0.98 N·m。施加在±70 N·m之间正弦变化的负载扭矩，均方根误差为0.96~1.05 N·m。该集成式扭矩传感器能够较为精准地感应负载扭矩，有助于实现协作机器人关节力控制，提升机器人系统的集成度。  
      关键词：扭矩传感器;谐波减速器;有限元分析;敏感栅;响应面法   
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      更新时间：2024-11-20
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