CN108225211A - 一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角，所述仿生触角包括触角基材骨架、触角卡扣接头、多芯光纤扇入/扇出转换器、光纤光开关、光纤传感处理器，其中所述触角基材骨架为轴心中空的圆柱体或正棱柱，在所述触角基材骨架轴心封装多芯布拉格光纤光栅；所述多芯布拉格光纤光栅连接至所述触角卡扣接头内的多芯光纤扇入/扇出转换器进行光信号转换，所述多芯光纤扇入/扇出转换器连接光纤光开关，所述光纤光开关通过光纤连接器、光纤连接器卡扣和传感光纤连接所述光纤传感处理器。本发明提供的仿生触角结构简单、易于安装，为仿生智能机器人在能见度低、恶劣环境中提供有效的触觉感知信息，能够在多种场合中应用。

Description

一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角。

背景技术

在自然界中，许多动物长期生活在黑暗环境中，视力比较弱，作为感官系统的补充，它们身体都生有一套精确感知能力的触须/触角体系，凭借这一触须/触角体系对周围信息进行感知，有效的避开有害的生物或区域。基于触须/触角的独特性，人们开始研制仿生触角并安装在机器人身上，并融合视觉、听觉等手段以增强机器人对环境的感知与识别能力。利用触角被动或主动地扫描与触碰物体，机器人能详细感知物体的形状与材质、检测狭小空间的尺寸与管道裂纹、探测并识别地形、实现特殊环境下的高精度自主导航(特别是能见度低、地形复杂的外星球导航与探测)。国外的工业生产中甚至运用人造触须检测精密机械加工中的零件毛刺。最早的仿生触须机器人，是美国的是美国的太空探险机器人Attila，它有一根长为25cm的触须，通过弯曲的触须可以判断前方是否有障碍物，但是它不能主动感知障碍物的距离和大小等信息。德国费斯托公司研制生产出一种水母机器人，它长着8根仿生触须，每根触须包含软硬适度的“主心骨”，骨外面连着柔性的表面，表面分成两个腔，压力可以分别调整，使整个触须向某个方向弯曲。通过触须传感器可以精确的知道水母当前所处的深度等信息。美国科学家研究的仿生机器龙虾，这种龙虾具有很高的灵活性，它长着能够感知障碍物的触须，它的内部安装有MEMS传感器。触须的底部固定在可以偏转的座架上，MEMS转换开关置于触角末梢，形成挠性电路，因而可以主动感知外界的环境信息。另外人工触觉传感技术在微创外科手术中的应用，并提出了利用柔性触觉传感器来探测身体复杂且柔软的器官和组织的接触信息。

现有技术中，存在采用MEMS技术，通过在柔性电路板上安装数个3D力触觉传感单元的一种阵列式触觉传感器，它可以获取三维方向的接触力数据信息，接着对这些数据信息进行处理，可精确地获得接触力的各向分布、大小等重要信息。现有的仿生触角装置大多数是利用触须触碰到物体产生的压力电信号来判断，只能用于初级避障功能，如果需要判断物体位置或者轮廓需要多根触须联合协作进行判断，主要原因是触须结构没有传感器，另外多根触须的组合装置对于微型机器人来说过于复杂，不利于进行微小空间下的探查工作。

因此，为了解决上述问题，需要一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角，所述仿生触角包括触角基材骨架、触角卡扣接头、多芯光纤扇入/扇出转换器、光纤光开关、光纤传感处理器，其中

所述触角基材骨架为轴心中空的圆柱体或正棱柱，在所述触角基材骨架轴心封装多芯布拉格光纤光栅；

所述多芯布拉格光纤光栅连接至所述触角卡扣接头内的多芯光纤扇入/扇出转换器进行光信号转换，所述多芯光纤扇入/扇出转换器连接光纤光开关，所述光纤光开关通过光纤连接器、光纤连接器卡扣和传感光纤连接所述光纤传感处理器。

优选地，所述触角基材骨架为直径2mm-10mm的柔韧性记忆合金丝、编织成形的复合材料杆、弹簧杆或硅胶条中的一种。

优选地，所述多芯布拉格光纤光栅具有3-10个栅点，栅区长度在2-10mm，反射率大于90％，光谱半高宽小于0.2nm，波段范围可在1520-1570nm，同一点位置上的光纤光栅中心波长相同，不同点位置的波长不同，波长相隔大于4nm。

优选地，所述多芯布拉格光纤光栅的包层直接为125um，涂覆层外直径为250um。

优选地，所述多芯布拉格光纤光栅纤芯为3芯、4芯、5芯或7芯。

优选地，所述触角基材骨架为柔性记忆合金丝，多芯布拉格光纤光栅粘贴于触角基材骨架的轴心。

优选地，所述多芯布拉格光纤光栅采用环氧胶或光纤金属焊锡进行粘贴。

优选地，所述触角基材骨架为编织成形的复合材料杆，所述多芯布拉格光纤光栅直接编制进所述触角基材骨的轴心。

优选地，触角基材骨架为硅胶条，所述多芯布拉格光纤光栅固化埋入所述触角基材骨架的轴心。

优选地，所述仿生触角还包括包裹于所述触角基材骨架外侧的触角表皮，所述触角表皮采用热缩管、PE套管或者铠装套管中的一种。

本发明提供的仿生触角，利用光纤传感器质轻、纤细、防腐蚀、抗电磁干扰、可链路多点环绕复用等特点应用于机器人触觉感知，通过光纤传感技术和光信号处理技术，利用多芯布拉格光纤光栅测量点位置和曲率的信息计算物体接触点的位置信息，进而重构物体的轮廓。

本发明提供的仿生触角结构简单、易于安装，为仿生智能机器人在能见度低、恶劣环境中提供有效的触觉感知信息，能够在多种场合中应用。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明一个实施例多芯布拉格光纤光栅仿生触角的结构示意图；

图2示出了本发明一个实施例多芯布拉格光纤光栅仿生触角的截面示意图；

图3示出了本发明仿生触角曲率检测原理示意图；

图4示出了本发明空间曲线曲率的示意图；

图5示出了本发明一个实施例多芯布拉格光纤光栅仿生触角的感知结果的中心波长漂移的示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。下面通过具体的实施例对本发明的内容进行说明，本发明提供一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角，利用多芯布拉格光纤光栅测量点位置和曲率的信息计算物体接触点的位置信息，进而获得物体轮廓信息。如图1所示本发明本发明一个实施例多芯布拉格光纤光栅仿生触角的结构示意图，图2所示本发明一个实施例多芯布拉格光纤光栅仿生触角的截面示意图，实施例中一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角包括触角基材骨架101、触角卡扣接头105、光纤光开关106、光纤传感处理器109，其中

触角基材骨架101为轴心102中空的圆柱体或正棱柱，在触角基材骨架101轴心102封装多芯布拉格光纤光栅。本实施例中触角基材骨架101为圆柱体，在一些实施例中，触角基材骨架101为正棱柱(例如正三棱柱、正四棱柱或正五棱柱)。多芯布拉格光纤光栅为3芯，分别为第一纤芯104a，第二纤芯104b，第三纤芯104c，三根纤芯两两之间的夹角为120度。在一些实施例中纤芯可以为4芯、5芯或7芯。

多芯布拉格光纤光栅具有3-10个栅点，栅区长度在2-10mm，反射率大于90％，光谱半高宽小于0.2nm，波段范围可在1520-1570nm，同一点位置上的光纤光栅中心波长相同，不同点位置的波长不同，波长相隔大于4nm。多芯布拉格光纤光栅的包层直接为125um，涂覆层外直径为250um。优选地，涂覆层为Acrylate涂覆层或Polyimide涂覆层。

根据本发明，触角基材骨架101为直径2mm-10mm的柔韧性记忆合金丝、编织成形的复合材料杆、弹簧杆或硅胶条中的一种。本实施例中触角基材骨架101直径为2mm，触角基材骨架101为柔性记忆合金丝，多芯布拉格光纤光栅采用环氧胶或光纤金属焊锡粘贴于触角基材骨架101的轴心102。

在一些实施例中，触角基材骨架101为编织成形的复合材料杆，多芯布拉格光纤光栅直接编制进触角基材骨架101的轴心102中。在另一些实施例中，触角基材骨架101为硅胶条，多芯布拉格光纤光栅固化埋入触角基材骨架101的轴心102中。

根据本发明的实施例多芯布拉格光纤光栅连接至触角卡扣接头105内的多芯光纤扇入/扇出转换器110进行光信号转换，多芯光纤扇入/扇出转换器110连接光纤光开关106，光纤光开关106通过光纤连接器107、光纤连接器卡扣108和传感光纤连接光纤传感处理器109。触角卡扣接头105内部包含一N×1光纤光开光106，N端口数目与多芯布拉格光纤光栅的纤芯数目一致，1个端口为一个FC/APC光纤接头，均为SMF-28e光纤，涂覆层采用Acrylate涂覆层或Polyimide涂覆层。

光纤传感处理器109为光纤布拉格光栅光谱解调仪，包括光纤耦合器、宽谱光源和光谱衍射法线阵CCD光谱接收器，传感光信号经过传感光纤进入光纤传感处理器109。

仿生触角还包括包裹于触角基材骨架101外侧的触角表皮103，触角表皮103采用热缩管、PE套管或者铠装套管中的一种。

下面对根据本发明的实施例中长啁啾光栅光纤仿生触角的感知进行理论分析。

基于光纤光栅传感原理，光纤布拉格光栅(FBG)在形变应力范围内是理想的弹性体，遵循胡克定律且内部不存在切应变，光纤光栅的折射率变化在横截面上均匀分布。在温度保持恒定的条件下，FBG光栅受纵向拉伸或压缩作用且应变均匀时，有关系式成立：

分析式(1)可知，应变ε和有效折射率neff的变化会导致光纤光栅中心波长的变化。

定义有效弹光系数为：

定义FBG的应变灵敏度系数为：

K_ε＝λ_B(1-P_e) (3)

推导可得单个FBG与应变量的转化关系式为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε＝K_εε (4)

如图3所示本发明仿生触角曲率检测原理示意图，考虑在二维情况下，曲线的弯曲只限定在一个方向上，将FBG紧紧封装在触角基材骨架101上，某点的曲率表示为正曲率或者负曲率，其中定义正曲率代表拉伸应变，负曲率代表压缩应变。

在温度恒定的条件下，FBG受轴向应变量ε的表达式为：

只考虑理想纯弯曲的情况下，当触角基材骨架101发生弯曲时，FBG的弯曲程度产生应变ε，导致其反射谱中心波长λ_B发生漂移量Δλ_B，由公式(5)得出此漂移量Δλ_B与应变ε成正比。设栅区长度为s，触角基材骨架101直径为d，曲率半径为ρ，有：

结合公式(5)解得：

继而推出曲率半径ρ表达式为：

因此推出曲率半径ρ的倒数曲率k表示为：

由公式(5)可以看出，对于某一个固定的柔性触觉传感器来说，曲率k与其FBG的中心波长漂移量Δλ_B成正比。

图4所示本发明空间曲线曲率的示意图，空间是一个三维的概念，对于空间曲线中某一点的弯曲方向，由一组正交的空间矢量表示，即某点的曲率可以定义为该点在正交x轴与正交y轴上弯曲程度的耦合，即耦合曲率。

某空间曲线上某点在x轴方向上的曲率为k_x，在y轴方向上的曲率为k_y，我们定义该点的耦合曲率k为：

耦合曲率与x轴正方向夹角α为：

通过上述原理，总结出对于曲线上的某一点测量，定义其曲率为一个矢量即不仅包含耦合曲率的大小k，也包含其弯曲方向夹角α。

实施例中以圆柱形触角基材骨架为例，触角基材骨架选用柔韧性记忆合金丝，三个多芯布拉格光纤光栅的纤芯(102a、102b、102c)组成形状测量网络。本实施例三个不同方向上的纤芯测量点相互之间为补偿匹配关系，可以进行温度补偿和拉伸应力的补偿。

检测方向a的曲率大小为k_a，方向b与c上曲率为k_b、k_c。建立右手坐标系，规定a方向为y轴正方向。则x轴方向上的曲率k_x为：

y轴方向上的曲率k_y为：

利用多芯布拉格光纤光栅测量点位置和曲率信息计算获得碰到的物体接触点位置信息，进而可以重构出物体轮廓。

如图5所示本发明一个实施例多芯布拉格光纤光栅仿生触角的感知结果的中心波长漂移的示意图。

本发明提供的仿生触角，利用光纤传感器质轻、纤细、防腐蚀、抗电磁干扰、可链路多点环绕复用等特点应用于机器人触觉感知，通过光纤传感技术和光信号处理技术，利用多芯布拉格光纤光栅测量点位置和曲率的信息计算物体接触点的位置信息，进而重构物体的轮廓。

本发明提供的仿生触角结构简单、易于安装，为仿生智能机器人在能见度低、恶劣环境中提供有效的触觉感知信息，能够在多种场合中应用。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种多芯布拉格光纤光栅仿生触角，其特征在于，所述仿生触角包括触角基材骨架、触角卡扣接头、多芯光纤扇入/扇出转换器、光纤光开关、光纤传感处理器，其中

所述触角基材骨架为轴心中空的圆柱体或正棱柱，在所述触角基材骨架轴心封装多芯布拉格光纤光栅；

所述多芯布拉格光纤光栅连接至所述触角卡扣接头内的多芯光纤扇入/扇出转换器进行光信号转换，所述多芯光纤扇入/扇出转换器连接光纤光开关，所述光纤光开关通过光纤连接器、光纤连接器卡扣和传感光纤连接所述光纤传感处理器。

2.根据权利要求1利要求所述的仿生触角，其特征在于，所述触角基材骨架为直径2mm-10mm的柔韧性记忆合金丝、编织成形的复合材料杆、弹簧杆或硅胶条中的一种。

3.根据权利要求1所述的仿生触角，其特征在于，所述多芯布拉格光纤光栅具有3-10个栅点，栅区长度在2-10mm，反射率大于90％，光谱半高宽小于0.2nm，波段范围可在1520-1570nm，同一点位置上的光纤光栅中心波长相同，不同点位置的波长不同，波长相隔大于4nm。

4.根据权利要求1或3所述的仿生触角，其特征在于，所述多芯布拉格光纤光栅的包层直接为125um，涂覆层外直径为250um。

5.根据权利要求1或3所述的仿生触角，其特征在于，所述多芯布拉格光纤光栅纤芯为3芯、4芯、5芯或7芯。

6.根据权利要求1或2所述的仿生触角，其特征在于，所述触角基材骨架为柔性记忆合金丝，多芯布拉格光纤光栅粘贴于触角基材骨架的轴心。

7.根据权利要求6所述的仿生触角，其特征在于，所述多芯布拉格光纤光栅采用环氧胶或光纤金属焊锡进行粘贴。

8.根据权利要求1或2所述的仿生触角，其特征在于，所述触角基材骨架为编织成形的复合材料杆，所述多芯布拉格光纤光栅直接编制进所述触角基材骨架的轴心。

9.根据权利要求1或2所述的仿生触角，其特征在于，触角基材骨架为硅胶条，所述多芯布拉格光纤光栅固化埋入所述触角基材骨架的轴心。

10.根据权利要求1所述的仿生触角，其特征在于，所述仿生触角还包括包裹于所述触角基材骨架外侧的触角表皮，所述触角表皮采用热缩管、PE套管或者铠装套管中的一种。