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光現象資源箱 型號：QWG1208 ? 實驗清單： 光在空氣中直線傳播實驗 面鏡成像觀察實驗 ? ? ? ? 透鏡成像觀察實驗 影子觀察實驗

含電路板、散裝元器件、制作說明書等

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原理介紹： 光在與微粒的相互作用中，會將自身攜帶的動量傳遞給微粒，對微粒施加力的作用。在光鑷中，處在激光中的粒子所受的力有兩種：一部分是電磁場分布不均勻導致的梯度力，梯度力將微粒吸引向光阱的中心；一部分是光子與粒子相互作用導致的散射。針對不同大小的粒子，大致可以分為三類： 一、微粒的尺度遠大于激光波長，可以采用幾何光學近似模型，光線在微粒經過折射反射，將動量傳遞至微粒上； 二、微粒尺度跟激光波長相近，這種情況下可以通過電磁場麥克斯韋方程組求解； 三、微粒尺度遠小于激光波長，微粒在光場中被激發為偶極子，受到偶極子與強聚焦光場的相互作用力； 相關內容： 動手調節光路，利用光鑷捕捉并操控小球； 基于空間光調制器的光鑷系統，通過研究不同算法從而得到加載在空間光調制器上的全息圖、更加深入地研究特殊模式光束在光學微操縱中的應用、拓展光鑷與其他學科交叉的應用前景以及對光場偏振態、相位、振幅的聯合調制等等。 應用領域： 作為非侵入型的力學操控系統，光鑷可以應用于細胞生物學、氣溶膠科學、物理化學等交叉學科的基礎研究，包括細胞微環境的改變、形變拉伸、微粒力學參數的測量等等。將全息光鑷與圖像識別結合，可以做到自動捕獲粒子和分揀， 將全息光鑷與光學顯微鏡相結合，可以量化細胞、分子的動力學特性，在細胞生物學中有巨大的研究空間； 方案介紹： 光路圖：   上圖為本方案全息光鑷裝置的光路示意圖。首先激光經過擴束后，直徑與空間光調制器有效區域的短邊直徑相等，擴束后的激光依次通過線偏振片、半波片和非偏振分光棱鏡。用半波片旋轉線偏光角度，使之工作在相位模式下，空間光調制器的入射角控制在在 5°以內。 經過空間光調制器反射的光經過由兩個傅里葉透鏡組成的縮束系統，該系統能改變光斑尺寸確保光束直徑與顯微物鏡的入瞳直徑匹配。對于外圍光強較弱的高斯光束，利用此縮束系統將激光直徑稍大于顯微物鏡入瞳直徑。 經過縮束系統的激光經過 45°直角反射鏡，二向色鏡將激光透射進入顯微物鏡，同時讓照明光源透過，從而使 CMOS 相機采集到樣品像。空間光調制器位于第一個傅里葉透鏡的焦距處，全息圖與物鏡入瞳是共軛像面，所以全息圖經過顯微物鏡做傅里葉變換后在顯微物鏡焦平面即樣品面上再現期望的光場分布。   特點： 此方案采用的開普勒式縮束系統透鏡間的焦平面與樣品面是共軛的，在透鏡焦平面加入高通濾波器或在空間光調制器上疊加閃耀光柵后，后續光學元件按照一級像排列，從而移去零級光的影響。 加載全息圖后 X-Y 位置可實時調整，快速疊加不同焦距菲涅爾相位圖、閃耀光柵相位圖等； 空間光調制器可供多種語言調用（labview、C、Python 等）；可編程實現不同數目、不同排列的光阱陣列；   配置標準：   序號 配置 規格 序號 配置 規格 1 激光光源 637nm 激光最大功率1w 4 顯微物鏡 PLN100× 油浸   NA 1.25 2 空間光調制器 1920*1080   2π 5 照明光源 波長470nm 功率760mw 3 CMOS相機 1280*1024 60FPS 6 相機筒鏡 f=200mm 等系列其他配置

項目成果/簡介:本項目開發了一套 32 噸級工業自動吊車系統，相關技術處于國際領先地位。本展品可使吊車運送效率比當前主流方法提高 77%以上，行程 6 米時，最大定位誤差不超過 5 毫米，精度非常高。同時，本展品可確保事故率降低 50%以上，使操作人員工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重設備有限公司生產的吊車上進行了大量的推廣應用。 這項成果符合《中國制造 2025》的戰略目標，具有非常顯著的經濟效益。它定位精度高，有助于實現核廢料運送與處理等操作。無人式的操作方式可以使橋式吊車在各種危險環境下作業，從而進一步拓寬了其工作范圍，在先進制造行業產生了非常積極的影響。 這項成果在創新性方面處國際領先水平。在吊車控制方面，國際上近 5 年來引用數排名前十名的論文中，這項成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇純教授應邀前往波蘭華沙參加第 11 屆機器人運動與控制研討會并做大會報告（其他三位大會報告人分別來自美國，法國，葡萄牙）。2016 年，成果入選國家自然科學基金委資助項目優秀成果選編（六），信息科學部 5 年共入選成果 25 項，其它入選成果的第一完成人分別為高文院士，楊學軍院士，錢鋒院士，房建成院士，郝躍院士等著名專家。應用范圍:吊車是應用領域最廣的設備之一，我國在基礎設施建設上的持續投入，為吊車類起重機械的蓬勃發展提供了非常好的機會。隨著產業轉型升級和戰略性新興產業發展，智能起重機是起重機行業的大勢所趨，也是當前智能制造業的迫切需求。具體體現在：（1）新興產業促使起重機趨向大噸位、高效率、自動化、智能化及多用途方向發展。（2）用戶對起重機性能的要求不斷提高，為此必須借助于新興的智能技術來研制智能型起重機。（3）隨著全球經濟一體化，制造企業需要借助于智能起重機來提升裝配水平和生產效率，增強在國際市場的競爭力。 本自動化吊車可以為地方經濟和社會發展注入活力，可望形成重要的產業基地。主要體現在：（1）本自動吊車科技水平高，可以提高相關制造業的技術水平和產品競爭力。（2）本自動吊車本身及衍生產業可以提供就業機會，緩解社會壓力。（3）本自動吊車主要用于具有智能化生產流程的核電、碼頭、建筑行業等，可帶動上下游企業的發展。（4）本自動吊車具有良好的市場前景，更便于帶動產業的發展，在實施地區可形成重要的產業基地。效益分析:特色 1：本展品的自動化吊車包括機械部分與電氣部分，還開發了吊車自動控制軟件系統。具體而言，為了實現高性能自動控制，提高實時性，設計了基于 DSP 的多軸控制板。手/自動操作可由遙控器上三個按鈕進行設置，DSP 可以實時監測對應的三路信號來判斷吊車的手/自動狀態，以便在變頻器操作模式無變化的情況下，通過 PLC實現吊車手/自動控制狀態的平滑切換，自動模式由 DSP 提供控制信 號，手動模式由單片機提供。 特色 2：建模、軌跡規劃、跟蹤及自動快速消擺技術。提出了一種精確的多吊繩吊車模型與一種基于魚群行為的 RNA 遺傳算法的建模方法。可更為準確地刻畫實際工業吊車特性，為后續控制方法設計與分析奠定堅實的基礎。提出了多種便于臺車跟蹤的自動消擺軌跡，簡單易行，效果良好。此外，提出了一種增強耦合非線性消擺控制技術、一種魯棒滑模控制方法以及一種考慮軌道約束的自適應消擺控制技術，能充分考慮外界干擾與未建模動態的干擾，取得良好的防擺與定位控制效果。此外，考慮吊車執行器的飽和約束、部分信號不可測量等實際問題，還設計并提出了一系列行之有效的自動控制方法。 特色 3：運動體檢測與三維場景重建技術。具體而言，項目組搭建了一種彩色點云獲取設備，可以準確獲取實際工況下帶有顏色信息的三維點云。提出了一種三維的正態分布變換算法，在實際應用中取得了穩定有效的結果。為防止橋式吊車現場危險事故的發生，設計了一種智能監控系統來發現進入吊車操作現場的人，并在可能發生危險時進行警報。經大量測試，所提技術能很好地完成預定任務。 特色 4：持續擾動抑制。針對野外工作的吊車系統，設計了一種適用于持續擾動情況下的非線性復合消擺方法。除此之外，針對周期性干擾的不利影響，項目組還提出了一種重復學習與部分反饋相結合的控制方法。兩種方法均可有效抑制持續干擾對吊車系統的影響。 特色 5：豎直起降技術。針對負載的起吊、落吊、水平傳送過程，提出了一種非線性跟蹤控制方法，該方法能保證臺車及繩長變化的跟蹤誤差始終地保持在任意設定的范圍內并收斂于零，同時能有效地消除負載的擺動，大幅提高系統的工作效率。

本項目開發了一套 32 噸級工業自動吊車系統，相關技術處于國際領先地位。本展品可使吊車運送效率比當前主流方法提高 77%以上，行程 6 米時，最大定位誤差不超過 5 毫米，精度非常高。同時，本展品可確保事故率降低 50%以上，使操作人員工作效率提高 2-3 倍。本展品已在天津起重設備有限公司生產的吊車上進行了大量的推廣應用。 這項成果符合《中國制造 2025》的戰略目標，具有非常顯著的經濟效益。它定位精度高，有助于實現核廢料運送與處理等操作。無人式的操作方式可以使橋式吊車在各種危險環境下作業，從而進一步拓寬了其工作范圍，在先進制造行業產生了非常積極的影響。 這項成果在創新性方面處國際領先水平。在吊車控制方面，國際上近 5 年來引用數排名前十名的論文中，這項成果占到 4 篇；成果第一完成人方勇純教授應邀前往波蘭華沙參加第 11 屆機器人運動與控制研討會并做大會報告（其他三位大會報告人分別來自美國，法國，葡萄牙）。2016 年，成果入選國家自然科學基金委資助項目優秀成果選編（六），信息科學部 5 年共入選成果 25 項，其它入選成果的第一完成人分別為高文院士，楊學軍院士，錢鋒院士，房建成院士，郝躍院士等著名專家。

成果與項目的背景及主要用途：該技術采用數控氣動閉環控制回路、機械手 可以上下插拔，在 XYZ 三個方向有力觸覺，可以感受作用力，如果力大，機械手 可以自動緩沖或收回。機械手具有抓夾功能。該項技術已經成功應用到核工業元 件加工過程中。相同的技術和功能可以方便的應用和移植到其它應用領域。 技術原理與工藝流程簡介：利用數控氣動閉環控制回路。三維柔性力緩沖 XY 方向±1 ㎜，Z 方向 10 ㎜，Z 向下插行程 0～500 ㎜可調，可以安裝各種用途 機械爪，具有形成阻尼緩沖和氣動消音。 技術水平及專利與獲獎情況：處于國內同類型先進技術水平。 56天津大學科技成果選編 應用前景分析及效益預測：該類型機械手技術可以應用于很多領域，如：機 械制造業、汽車工業、化工業、核能工業、生物工業、安全領域等需要提高作業 效率、精度、危險環境等行業。 目前該技術成熟，整機價格在 10～16 萬人民幣之間，可以進行小批量工業 化生產。 應用領域：械制造業、汽車工業、化工業、核能工業、生物工業、安全領域 等需要提高作業效率、精度、危險環境等行業。 技術轉化條件（包括：原料、設備、廠房面積的要求及投資規模）： 所需原材料：均為市場上可采購原材料，無特殊要求，例如：氣動元件、機 械件等； 設備及環境要求： AC220V 電源、普通氣源； 所需廠房面積：普通廠房 100 平方米； 人員要求：若干機、電相關專業人員； 初期投資規模：除以上條件外需流動資金 60～80 萬。 合作方式及條件： 技術轉讓，轉讓費：人民幣 50 萬元； 合作生產，具體可面談。 

隨著空分裝置朝著大型化，稀有氣體全體區和全面計算機控制的發展，對空分操作人員的素質及操作技能提出了極大的挑戰。要在生產實踐中培養出一個合格的熟練的操作人員一般需要5年左右的時間。 當前，操作仿真技術在操作人員培訓方面有著特殊的功能，目前已經有用于各種運載工具（如飛機、船舶等）以及各種復雜設備系統（如電站、電網、大型化工系統等）的仿真訓練機，在提高效率、節約能源、安全訓練等方面起了十分重要的作用。為此，我們開發了大型空分裝置操作仿真培訓系統。該系統可用于對運行人員進行培訓，促進其對設備運行特點、操作動態響應特性的了解，提高操作技能和應變能力，從而最大限度地提高設備運行的安全性和可靠性，減少運行事故的發生。 目前，該技術已應用于我國幾個大型冶金企業的制氧廠，取得了良好的效果。

本成果在技術上構建了“醫生在環”的融合系統，可發揮醫生的經驗和監督特性，基于增強導納的省力操控，同時結合輸入力交互與虛擬約束，實現基于阻抗模型的高精度穩定柔順控制，提高交互過程的穩定性，在以人機協同開顱，人機協同整形場景下設計人機協同開顱手術機器人與人機協同整形機器人，研究成果具有廣闊的應用前景。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、技術分析 對比當前的立體定位手術機器人，人機協同手術機器人具有更直觀的操作方式、操作過程中更加安全并且可以實現的功能更多。學術界廣泛認為人機協同手術機器人將是未來機器人的一個主流方向。另外，人機協同手術機器人更容易被醫生、患者接受，推廣難度更低。本成果在技術上構建了“醫生在環”的融合系統，可發揮醫生的經驗和監督特性，基于增強導納的省力操控，同時結合輸入力交互與虛擬約束，實現基于阻抗模型的高精度穩定柔順控制，提高交互過程的穩定性，在以人機協同開顱，人機協同整形場景下設計人機協同開顱手術機器人與人機協同整形機器人，研究成果具有廣闊的應用前景。

項目的背景及目的 在微操作過程中，由于操作對象十分微小，必須借助顯微鏡觀察操作物體。顯微鏡可以看到微小的物體，但同時也存在視野小、景深短等問題，這些問題限制了微操作機器人的實際操作范圍，影響了機器人系統的性能，甚至導致一些操作無法完成。因此，理想的微操作機器人系統應該具有“廣闊”而“深遠”的視覺反饋，也即在平面方向拓展觀測范圍，使顯微鏡具有更“廣闊”的視野；在光軸方向加深顯微鏡景深，使其在更“深遠”的范圍內成清晰的像。