CN107351102B - 光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖 - Google Patents

光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖 Download PDF

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Abstract

一种光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖，包括：固定板，为具有上部表面和下部表面的条形结构；传递杆，具有可变形横梁，传递杆通过设置在可变形横梁上的紧固件固定在固定板上，传递杆的可变形横梁穿过固定板的上部表面和下部表面并相对于固定板悬空；可变形横梁包括用于感知外力的受力端和与位于受力端相对一端的辅助端；传输光纤，其首端自固定板的下部表面依次预拉紧穿过可变形横梁的受力端、固定板的上部表面以及可变形横梁的辅助端后与传输光纤的尾端固定在固定板的下部表面；第一光纤光栅，设置在靠近可变形横梁的辅助端下方的传输光纤上；第二光纤光栅，设置在靠近可变形横梁的受力端下方的传输光纤上。结构紧凑，能够实现温度补偿，减少采集误差。

Description

光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖。
背景技术
随着机器人智能化的飞速发展，机器人对外界信息的力触觉感知越来越重要，具备力触觉信息反馈的机器人才能更加精准的完成各种精细、复杂的作业内容，因此高精度、高可靠性、可集成化的力触觉传感器的研发得到科技界重视。
目前报道力触觉传感器多是基于电容、应变片等电磁信号类元件而设计的，这类元件受温度、潮湿等影响产生的零点漂移大，弱电信号难以抵抗复杂环境中存在的电磁干扰，而且信号引线数量往往较多，不利于微型化和集成化。
光纤光栅传感技术因具有体积细微、光信号抗电磁干扰、可多个光纤光栅可串接复用、易于组网测量等突出优势，得到了机器人传感领域的重视。韩国科学技术学院(KAIST)的Jin Seok Heo等人将一个光纤光栅嵌入至一个直径为100mm的聚二甲硅氧烷(PDMS)圆盘内，构成一个单点的触觉压力传感器，当有压力作用在传感器表面时，光纤光栅的波长发生改变；后来又提出了一种“桥型”的力触觉传感器，光纤光栅穿过桥型结构两侧的孔后固定，在压力作用下，结构产生伸缩变形，结构内侧空间里的光纤光栅波长发生相应变化。罗马生物医药大学的Paola Saccomandi等人在带有凹槽的聚二甲硅氧烷(PDMS)结构上布置光纤光栅，在外界力作用下光纤光栅波长发生变化。申请号为201410213244.8的中国发明专利公开了一种光纤光栅原理的触觉阵列传感器，将带有多个光纤光栅的光纤嵌入到一种聚二甲硅氧烷(PDMS)薄膜中，形成整体性良好的触觉传感体。但上述这些基于光纤光栅原理的触觉传感器的制造过程比较繁琐，而且均未考虑温度补偿问题。
因此，如何提供一种结构紧凑的新型光纤光栅力触觉传感器成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，如何提供一种结构紧凑的新型光纤光栅力触觉传感器。
为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种光纤光栅力触觉传感器，包括：
固定板，为具有上部表面和下部表面的条形结构；传递杆，具有可变形横梁，传递杆通过设置在可变形横梁上的紧固件固定在固定板上，传递杆的可变形横梁穿过固定板的上部表面和下部表面并相对于固定板悬空；可变形横梁包括用于感知外力的受力端和与位于受力端相对一端的辅助端；传输光纤，其首端自固定板的下部表面依次预拉紧穿过可变形横梁的受力端、固定板的上部表面以及可变形横梁的辅助端后与传输光纤的尾端固定在固定板的下部表面；第一光纤光栅，设置在靠近可变形横梁的辅助端下方的传输光纤上；第二光纤光栅，设置在靠近可变形横梁的受力端下方的传输光纤上。
可选地，传递杆的受力端和辅助端分别设置有贯穿传递杆上下表面的凹槽，用于为传输光纤提供穿过可变形横梁的通路。
可选地，可变形横梁的受力端到传递杆与固定板的固定位置的距离大于可变形横梁的辅助端到传递杆与固定板的固定位置的距离。
可选地，还包括：关节板，与固定板的下部表面固定连接；关节板上开设有贯穿其上下表面的通孔，用于穿过传输光纤的首端和尾端，以向外界传输光纤光栅信号。
可选地，传递杆包括：支撑部，传递杆的可变形横梁通过支撑部相对于固定板悬空固定。
可选地，支撑部为一字形，支撑部的两端分别与固定板和可变形横梁固定连接。
可选地，支撑部为L字形，支撑部的两端分别与固定板和可变形横梁固定连接。
可选地，支撑部与可变形横梁为一体化结构。
根据第二方面，本发明实施例公开了一种机械手指尖，包括：
指尖套，具有内腔，在内腔腔壁的预设位置设置有感力区域；上述第一方面公开的光纤光栅力触觉传感器，光纤光栅力触觉传感器设置在指尖套的内腔内，可变形横梁的受力端搭接在感力区域；感力区域将接收到的外力传递给受力端。
根据第三方面，本发明实施例公开了一种机器人，包括：
机器人本体；上述第二方面公开的机械手指尖，设置在机器人本体上；光纤光栅解调器，设置在机器人本体内部，光纤光栅解调器与传输光纤的首端及尾端信号连接，光纤光栅解调器用于对传输光纤传送的光纤光栅信号进行解调得到用于表征受力大小的传感信号。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖，传递杆具有可变形横梁，传递杆的可变形横梁穿过固定板的上部表面和下部表面并相对于固定板悬空固定；并且，可变形横梁包括用于感知外力的受力端和与位于受力端相对一端的辅助端，使得在可变形横梁的受力端感受到外力时，能够引起可变形横梁产生相应的位移，结构紧凑；由于第一光纤光栅设置在靠近可变形横梁的辅助端下方的传输光纤上，第二光纤光栅设置在靠近可变形横梁的受力端下方的传输光纤上，从而能够通过光纤光栅采集到可变形横梁产生的位移，从而能够采集到受力端的受力情况。此外，由于光纤光栅成对设置在可变形横梁的两端，使得光纤光栅能够相对对称受力，继而能够实现温度补偿，减少采集误差。
作为可选的技术方案，关节板与固定板的下部表面固定连接；关节板上开设有贯穿其上下表面的通孔，用于穿过传输光纤的首端和尾端，以向外界传输光纤光栅信号。通过关节板与固定板的下部表面固定连接，使得光纤光栅力触觉传感器方便可拆卸连接至关节上，从而提高了光纤光栅力触觉传感器的可替代性和通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例1中机械手指尖及其光纤光栅力触觉传感器结构示意图；
图2为本实施例中一种传递杆结构示意图；
图3为本实施例中另一种传递杆结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为了提供一种结构紧凑的新型光纤光栅力触觉传感器，本实施例公开了一种光纤光栅力触觉传感器，请参考图1，为本实施例公开的一种光纤光栅力触觉传感器结构示意图，该光纤光栅力触觉传感器包括：固定板1、传递杆2、传输光纤3、第一光纤光栅41和第二光纤光栅42，其中：
固定板1为具有上部表面和下部表面的条形结构。本实施例中，固定板1为刚性材料制备，具体刚度可以根据经验来确定。在具体实施例中，固定板1的条形结构可以为矩形结构，也可以在条形的两端制作适当的圆弧或倒角等形状。
传递杆2具有可变形横梁，传递杆2通过设置在可变形横梁上的紧固件固定在固定板1上，传递杆2的可变形横梁穿过固定板1的上部表面和下部表面并相对于固定板1悬空。在具体实施例中，传递杆2的刚度应小于固定板1的刚度，传递杆2可以通过焊接的方式固定在固定板1上。在可选的实施例中，传递杆2可以采用柔性材料制备而成。本实施例中，请参考图2和图3，可变形横梁包括用于感知外力的受力端22和与位于受力端相对一端的辅助端23，具体地，在受力端22接收到外力后，将感知到的外力传递给可变形横梁，从而使得可变形横梁在受力端提供的外力的作用下发生位移。
请参考图1，传输光纤3其首端自固定板1的下部表面依次预拉紧穿过可变形横梁的受力端、固定板1的上部表面以及可变形横梁的辅助端后与传输光纤3的尾端固定在固定板1的下部表面。需要说明的是，请参考图1，本实施例中，传输光纤3的首端和尾端应当交叉引出，而后，将传输光纤3的首端和尾端的交叉处固定在固定板1的下部表面，亦即，在对传输光纤3的首端和尾端进行固定时，应当保持传输光纤3的首端和尾端能够正常地向外传输光纤光栅信号。本实施例中，可以通过粘合剂71粘合固定传输光纤3的首端和尾端，当然，也可以采用例如玻璃焊料、胶水等具有固定功能的物质进行固定。在具体实施例中，传输光纤3预拉紧穿过固定板1的上部表面后，在上部表面传输光纤3交汇处也可以通过粘合剂72粘合，以将传输光纤3粘合固定在固定板1的上部表面。
第一光纤光栅41设置在靠近可变形横梁的辅助端下方的传输光纤3上；第二光纤光栅42，设置在靠近可变形横梁的受力端下方的传输光纤3上。在具体实施例中，将第一光纤光栅41和第二光纤光栅42上部的光纤使用粘合剂固定在固定板1上部表面，然后将第一光纤光栅41和第二光纤光栅42上部引出的光纤使用光纤熔接机熔接在一起串联起来，第一光纤光栅41和第二光纤光栅42分别穿过传递杆的可变形横梁，悬浮在可变形横梁的下方，传输光纤3穿过可变形横梁处的部分可相对可变形横梁滑动，对第一光纤光栅41和第二光纤光栅42下部的光纤两个光纤施加拉力，使两个光纤光栅处于拉伸绷紧状态，然后将两个光纤光栅下部的光纤使用粘合剂固定在固定板1下部表面。
在可选的实施例中，传递杆2的受力端和辅助端分别设置有贯穿传递杆2上下表面的凹槽，用于为传输光纤3提供穿过可变形横梁的通路，从而有效地减少传输光纤7滑落的概率。
在可选的实施例中，可变形横梁的受力端到传递杆2与固定板1的固定位置的距离大于可变形横梁的辅助端到传递杆2与固定板1的固定位置的距离，以使得在受力端与外界感力区域接触时，辅助端能够处于自由状态，避免辅助端接触外界物体。
请参考图1，在可选的实施例中，该光纤光栅力触觉传感器还包括：关节板5，与固定板1的下部表面固定连接；关节板5上开设有贯穿其上下表面的通孔51，用于穿过传输光纤3的首端和尾端，以向外界传输光纤光栅信号。通过关节板与固定板的下部表面固定连接，使得光纤光栅力触觉传感器方便可拆卸连接至关节上，从而提高了光纤光栅力触觉传感器的可替代性和通用性。
请参考图2和图3，在可选的实施例中，传递杆2包括：支撑部21，传递杆2的可变形横梁通过支撑部21相对于固定板1悬空固定。在一种实施例中，请参考图2，支撑部21为一字形，支撑部21的两端分别与固定板1和可变形横梁固定连接。在另一种实施例中，请参考图3，支撑部21为L字形，支撑部21的两端分别与固定板1和可变形横梁固定连接。
在可选的实施例中，支撑部21与可变形横梁为一体化结构，以减少应变形时导致支撑部21与可变形横梁错位所带来的误差。
在具体实施过程中，可根据应用场合的实际需求，如触觉力的量程、触觉力的灵敏度、检测精度、传感器体积等指标，确定传感器各个部件的参数，传感器的量程和灵敏度可通过调整传递杆的尺寸、材料等物理参数来调整。
多个该光纤光栅力触觉传感器之间，只需选择不同波长的光纤光栅，引出的信号光纤之间就可以采用光纤熔接机熔接后串接，实现一根光纤带动多个传感器串联复用，大大减少信号引线，有利于机器人狭小的布线空间要求。
本实施例还公开了一种机械手指尖，请参考图1，为该机械手指尖结构示意图，该机械手指尖包括：指尖套6和上述实施例公开的光纤光栅传感器，其中：
指尖套6具有内腔，在内腔腔壁的预设位置设置有感力区域61，在具体实施例中，指尖套6可以采用仿皮肤式复合材料制备而成。光纤光栅力触觉传感器设置在指尖套6的内腔内，可变形横梁的受力端搭接在感力区域61；感力区域61将接收到的外力传递给受力端。在具体实施过程中，可以将指尖套6罩在上述实施例公开的光纤光栅力触觉传感器上，并确保可变形横梁的辅助端不与指尖套6接触，处于自由状态，可变形横梁的受力端与指尖套6的内壁紧密贴合，与指尖套6紧密贴合处的外部感力点附近形成力感知区域61，然后将指尖套6底部固定在关节板5上表面，形成机械手指尖。
本实施例中，当有外界力作用在指尖套上面的感力点及附近区域时，传递杆由受力端向辅助端产生位移，推动预拉伸绷紧状态的第一光纤光栅进一步拉伸，引起第一光纤光栅的波长产生正向漂移，而预拉伸绷紧状态的第二光纤光栅得到缓和，第二光纤光栅的波长产生负向漂移，将两个光纤光栅波长漂移量经过差值后，作为传感器的输出信号，提高了对力的测量灵敏度，而且由环境温度变化引起的同向的波长漂移也被减去消除，实现温度自补偿，更加准确的测量外界力。在实验室里，将机械手指尖固定在力标定台上后，将两个光纤光栅的接入信号解调仪器中，监视第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长漂移量的差值信号Δλ12＝Δλ1-Δλ2。力标定台设置多个不同的触觉力，获得不同的触觉力F和Δλ12的对应关系后，将触觉力设置为X轴，Δλ12设置为Y轴，通过曲线拟合，即可得出触觉力F与Δλ12的函数关系。双光纤光栅差值测量输出，提高了测量灵敏度，实现了温度自补偿。
本实施例还公开了一种机器人，包括：机器人本体、上述实施例公开的机械手指尖以及光纤光栅解调器，其中，上述实施例公开的机械手指尖设置在机器人本体上；光纤光栅解调器设置在机器人本体内部，光纤光栅解调器与传输光纤3的首端及尾端信号连接，光纤光栅解调器用于对传输光纤3传送的光纤光栅信号进行解调得到用于表征受力大小的传感信号。
本实施例提供的光纤光栅力触觉传感器、机器人及其机械手指尖，传递杆具有可变形横梁，传递杆的可变形横梁穿过固定板的上部表面和下部表面并相对于固定板悬空固定；并且，可变形横梁包括用于感知外力的受力端和与位于受力端相对一端的辅助端，使得在可变形横梁的受力端感受到外力时，能够引起可变形横梁产生相应的位移，结构紧凑；由于第一光纤光栅设置在靠近可变形横梁的辅助端下方的传输光纤上，第二光纤光栅设置在靠近可变形横梁的受力端下方的传输光纤上，从而能够通过光纤光栅采集到可变形横梁产生的位移，从而能够采集到受力端的受力情况。此外，由于光纤光栅成对设置在可变形横梁的两端，使得光纤光栅能够相对对称受力，继而能够实现温度补偿，减少采集误差。
在可选的实施例中，关节板与固定板的下部表面固定连接；关节板上开设有贯穿其上下表面的通孔，用于穿过传输光纤的首端和尾端，以向外界传输光纤光栅信号。通过关节板与固定板的下部表面固定连接，使得光纤光栅力触觉传感器方便可拆卸连接至关节上，从而提高了光纤光栅力触觉传感器的可替代性和通用性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，包括：
固定板(1)，为具有上部表面和下部表面的条形结构；
传递杆(2)，具有可变形横梁，所述传递杆(2)通过设置在所述可变形横梁上的紧固件固定在所述固定板(1)上，所述传递杆(2)的可变形横梁穿过所述固定板(1)的上部表面和下部表面并相对于所述固定板(1)悬空；
所述可变形横梁包括用于感知外力的受力端和与位于所述受力端相对一端的辅助端；
传输光纤(3)，其首端自所述固定板(1)的下部表面依次预拉紧穿过所述可变形横梁的受力端、所述固定板(1)的上部表面以及所述可变形横梁的辅助端后与所述传输光纤(3)的尾端固定在所述固定板(1)的下部表面；
第一光纤光栅(41)，设置在靠近所述可变形横梁的辅助端下方的传输光纤(3)上；
第二光纤光栅(42)，设置在靠近所述可变形横梁的受力端下方的传输光纤(3)上。
2.如权利要求1所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，所述传递杆(2)的受力端和辅助端分别设置有贯穿所述传递杆(2)上下表面的凹槽，用于为所述传输光纤(3)提供穿过所述可变形横梁的通路。
3.如权利要求1所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，所述可变形横梁的受力端到所述传递杆(2)与所述固定板(1)的固定位置的距离大于所述可变形横梁的辅助端到所述传递杆(2)与所述固定板(1)的固定位置的距离。
4.如权利要求1-3任意一项所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，还包括：
关节板(5)，与所述固定板(1)的下部表面固定连接；所述关节板(5)上开设有贯穿其上下表面的通孔(51)，用于穿过所述传输光纤(3)的首端和尾端，以向外界传输光纤光栅信号。
5.如权利要求1-3任意一项所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，所述传递杆(2)包括：
支撑部(21)，所述传递杆(2)的可变形横梁通过所述支撑部(21)相对于所述固定板(1)悬空固定。
6.如权利要求5所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，所述支撑部(21)为一字形，所述支撑部(21)的两端分别与所述固定板(1)和所述可变形横梁固定连接。
7.如权利要求5所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，所述支撑部(21)为L字形，所述支撑部(21)的两端分别与所述固定板(1)和所述可变形横梁固定连接。
8.如权利要求5所述的光纤光栅力触觉传感器，其特征在于，所述支撑部(21)与所述可变形横梁为一体化结构。
9.一种机械手指尖，其特征在于，包括：
指尖套(6)，具有内腔，在所述内腔腔壁的预设位置设置有感力区域(61)；
如权利要求1-8任意一项所述的光纤光栅力触觉传感器，所述光纤光栅力触觉传感器设置在所述指尖套(6)的内腔内，所述可变形横梁的受力端搭接在所述感力区域(61)；所述感力区域(61)将接收到的外力传递给所述受力端。
10.一种机器人，其特征在于，包括：
机器人本体；
如权利要求9所述的机械手指尖，设置在所述机器人本体上；
光纤光栅解调器，设置在所述机器人本体内部，所述光纤光栅解调器与所述传输光纤(3)的首端及尾端信号连接，所述光纤光栅解调器用于对所述传输光纤(3)传送的光纤光栅信号进行解调得到用于表征受力大小的传感信号。
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Application publication date: 20171117

Assignee: Wuhan Ouguang Technology Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023420000133

Denomination of invention: Fiber Bragg Grating Force Tactile sensor, Robot and Robot Finger Tip

Granted publication date: 20230421

License type: Common License

Record date: 20230531