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应变片式力传感器智能化测量系统的研究

应变片式力传感器智能化测量系统的研究

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作者：郭志君东华大学

学位级别：硕士

应变片式力传感器的主要由应变片和弹性体构成,商品化的应变片不仅体积小而且可供选择的种类及规格十分丰富,弹性体也可根据不同使用场景被设计为不同的形式,基于以上优点使得该传感器被广泛应用于测控领域。但该传感器还存在输出信号... 详细信息

应变片式力传感器的主要由应变片和弹性体构成,商品化的应变片不仅体积小而且可供选择的种类及规格十分丰富,弹性体也可根据不同使用场景被设计为不同的形式,基于以上优点使得该传感器被广泛应用于测控领域。但该传感器还存在输出信号小、结构单一、温度稳定性较差及弹性体选材等问题。本文针对应变片式力传感器存在的主要问题,做了以下研究工作:(1)从传感器弹性体的选材及结构设计角度出发,利用ANSYS软件对弹性体建模,设计了在量程范围内比较合理的弹性体模型。(2)针对应变片式力传感器易受温度影响的问题,构造了遗传算法优化BP神经网络(GA&BP)算法模型对传感器进行温度补偿;设计了精密的恒压源电路,满足传感器以及其它模块不同的供电需求;用仪表放大器代替差分放大电路,从而进一步提高了传感器精度。(3)本文围绕STM32F429IGT6单片机系统设计了一套智能化力测量系统。将温度补偿算法模型固化在该测量系统中实现对该传感器的温度补偿,同时可将温度及预测力值等关键信息通过蓝牙传输到相应手机屏幕上实现实时远距离查看。研究结果表明:(1)在设计量程范围内传感器的弹性体应变接近应变极限,大大提高了应变片式力传感器的测量精度;(2)经GA&BP算法模型补偿后,该传感器零位温度系数(α)由1.74×10/℃提升至7.71×10/℃,提高了两个数量级,灵敏度温度系数(α)由2.17×10/℃提升至1.03×10/℃,提高了一个数量级,从而证明了GA&BP温度补偿模型可以有效提高该传感器的温度稳定性。(3)从线性度、重复性、迟滞性及精度知道,该智能化力测量系统静态性能比较优异。

关键词：应变片式力传感器弹性体温度补偿单片机系统

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基于多传感信息融合的手功能康复评估系统的研发

基于多传感信息融合的手功能康复评估系统的研发

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作者：鲁鑫梁杭州电子科技大学

学位级别：硕士

手功能在日常生活中承担着举足轻重的作用,但因疾病或意外导致手功能运动障碍将对患者的正常生活产生极大影响。近年来因患脑卒中而导致手功能障碍的患者人数日益增多。在临床治疗中,进行手功能康复评估对于医师针对患者病情制定合理的... 详细信息

手功能在日常生活中承担着举足轻重的作用,但因疾病或意外导致手功能运动障碍将对患者的正常生活产生极大影响。近年来因患脑卒中而导致手功能障碍的患者人数日益增多。在临床治疗中,进行手功能康复评估对于医师针对患者病情制定合理的康复训练计划有着重要意义。目前对患者进行手功能康复评估主要依据各种手功能康复评估量表,需要医师指导患者执行相应的动作并进行分数评定,但是这种方式不仅费时、费力而且存在误差过大的问题。鉴于此,本文结合多模态信息融合和康复评估系统相关的知识,针对传统医师量表评分方式存在的不足,以常用的fugl-meyer手功能康复评估量表为例,设计了一种手功能康复评估数字化解决方案。本文主要工作内容如下:(1)检测手关节信息的手姿态捕捉系统:构建了基于IMU的无线手姿态捕捉系统,由13个九轴惯性传感器MPU9250采集各个指节的加速度、角速度和磁感强度,通过对这些信息进行坐标变换和九轴融合算法的处理,得到表征各个指节位姿信息的欧拉角。相比于以往的数据手套,增加了传感器的数量以获取更多的手部姿态信息,采用无线通讯使得系统的应用场景增加,且通过将传感器部分制成一体式柔PCB,不仅提升用户的佩戴时的舒适度,也降低了传统数据手套存在的触觉干扰,进而摒除了手部运动时因传统数据手套外壳与手部之间存在相对运动而产生的误差。(2)检测手部压力分布的装置:根据U-FMA评估量表的三个任务:侧捏任务、圆柱体抓握任务和球体抓握任务,基于应变片式力传感器设计了相应的分布式压力检测机构。通过ANSYS Workbench静应力仿真设计弹性应变体的结构、压力检测电路以及装置结构。(3)数字化评估的研制:基于Unity3D开发了三维人机交互软件,通过建立相应的虚拟环境,将数据手套和压力装置数据映射至虚拟物件上,利用脚本实现了对虚拟手关节的运动控制与压力装置的可视化,可以非常方便地实现手功能障碍患者的居家康复检测。(4)系统验证与分析:利用自主设计的电位计反馈角度测量平台对Mahony解算算法进行了静态性能和动态性能的验证,其静态角度均方根误差为0.3496°,在50°/s的摆臂速度下,其解算姿态角的均方根误差为1.6857°,并通过实验测量计算其线性度、迟滞性、分辨率、重复度和精度,进而对应变片式力传感器的静态性能进行评估,侧捏装置、圆柱体装置和球体装置的精度分别为5.71%、3.53%和6.30%,可以满足临床要求。

关键词：多传感融合惯性传感单元应变片式力传感器手姿态捕捉系统三维可视化

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