CN108362219A - 一种长啁啾光栅光纤仿生触角 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种长啁啾光栅光纤仿生触角，所述仿生触角包括触角基材骨架、触角卡扣接头、光纤光开关、光纤传感处理器，其中所述触角基材骨架为圆柱体或正棱柱，所述触角基材骨架上等间隔封装多个长周期光栅光纤；所述长周期光栅光纤连接所述触角卡扣接头内的光纤光开关，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
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种长啁啾光栅光纤仿生触 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，需要一种长啁啾光栅光纤仿生触角。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长啁啾光栅光纤仿生触角，所述仿生触 角包括触角基材骨架、触角卡扣接头、光纤光开关、光纤传感处理器， 其中
所述触角基材骨架为圆柱体或正棱柱，所述触角基材骨架上等间隔 封装多个长周期光栅光纤；
所述长周期光栅光纤连接所述触角卡扣接头内的光纤光开关，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圆柱体，多个所述长周期光栅光纤沿 所述触角基材骨架截面等间隔封装。
优选地，所述触角基材骨架为正棱柱，多个所述长周期光栅光纤分 别沿所述触角基材骨架截面每一边的中线封装。
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，长周期光栅光纤间隔封装3～5根，每根所述长周期光栅光 纤的栅区长度在5-30cm，光谱宽度为10-50nm，反射率大于50％，波段 范围为1520-1570nm。
优选地，触角基材骨架为柔性记忆合金丝，所述长周期光栅光纤粘 贴于触角基材骨架表面。
优选地，所述长周期光栅光纤采用环氧胶或光纤金属焊锡进行粘贴。
优选地，触角基材骨架为编织成形的复合材料杆，所述长周期光栅 光纤直接编制进所述触角基材骨架中。
优选地，触角基材骨架为硅胶条，所述长周期光栅光纤固化埋入所 述触角基材骨架中。
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，利用长周期光栅光纤的轴向应力整体光 谱的漂移判断触角的曲率变化，根据接触点位置受力产生的光谱凹陷判 断物体接触点的坐标，进而获得物体的轮廓。
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长啁啾光栅光纤仿生触角的结 构示意图；
图2示出了本发明长啁啾光栅光纤仿生触角感知的原理示意图；
图3示出了本发明一个实施例长啁啾光栅光纤仿生触角不同接触点 位置感知与判断光谱的示意图。
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，本发明提供一种长啁啾光栅光纤仿生触角， 利用长周期光栅光纤的轴向应力整体光谱的漂移判断触角的曲率变化， 根据接触点力对长啁啾光栅形变的位置来判断物体接触点坐标，进而获 得物体轮廓信息。如图1所示本发明一个实施例本发明一个实施例长啁 啾光栅光纤仿生触角的结构示意图，实施例中一种长啁啾光栅光纤仿生 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为圆柱体或正棱柱，触角基材骨架101上等间隔 封装多个长啁啾光栅光纤102。本实施例中触角基材骨架101为圆柱体， 多个长啁啾光栅光纤102沿触角基材骨架101截面等间隔封装。长啁啾 光栅光纤102间隔封装3～5根，每根长周期光栅光纤102的栅区长度在 5-30cm，光谱宽度为10-50nm，反射率大于50％，波段范围为 1520-1570nm。本实施例中，示例性的以封装3根长啁啾光栅光纤102为 例。
在一些实施例中，触角基材骨架为101正棱柱，多个长啁啾光栅光 纤分别沿触角基材骨架101截面每一边的中线封装。
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，光纤 布拉格光栅104采用环氧胶或光纤金属焊锡粘贴于触角基材骨架101表 面。
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，长 啁啾光栅光纤102直接编制进触角基材骨架101中。在另一些实施例中， 触角基材骨架101为硅胶条，长啁啾光栅光纤102固化埋入触角基材骨 架101中。
根据本发明的实施例长啁啾光栅光纤102连接触角卡扣接头105内 的光纤光开关106，光纤光开关106通过光纤连接器107、光纤连接器卡 扣108和传感光纤连接至光纤传感处理器109。触角卡扣接头105内部包 含一N×1光纤光开光106，N端口数目与长啁啾光栅光纤102的根数一 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。啁啾光纤光栅的光学特性由以下耦合模方程获得：
由于啁啾光纤光栅的光栅参数沿光纤方向发生变化。从耦合模方程 不能得到反射系数和反射率的解析解，因此采用传输矩阵法对公式(1)进 行求解。传输矩阵模型将非均匀光栅分成许多小段，每一小段都看成是 均匀光栅，每段都用一个2x2的矩阵来表示。整个非均匀光栅就表示为 一系列2x2矩阵的乘积，利用2x2的矩阵求出光栅的反射系数，时延和 色散等参数。
将啁啾光纤光栅均匀分成M个子光纤光栅，并将其中每一个都视作 均匀光纤光栅。Δz为单个子光栅长度，且Δz>>Λ，即：
针对其中每段子光栅，其均符合均匀光纤光栅耦合模方程，其对应 的中心波长可以表示为：
λd＝2neffΛ(z) (3)
式中：neff为栅区有效折射率，Λ(z)为随位置z变化的栅区周期。 对于线性啁啾光纤光栅，其周期表达式如下：
Λ(z)＝Λ0+ΔΛ(z) (4)
式中Λ(z)为光栅周期分布函数，Λ0为光栅中点处的周期，ΔΛ(z) 为周期的变化。ΔΛ(z)满足如下关系:
式中Ф(z)为啁啾光纤光栅的啁啾函数，可表示 为：
式中F为啁啾系数，L为光纤光栅长度。由式(4)、(5)、(6)联立得，
结合公式(5)可知，应变位置z与啁啾光栅的栅区周期存在唯一的对 应关系，即根据啁啾光纤光栅受横向力后光谱凹陷位置获得实际受力位 置。因长啁啾光纤光栅具有较大的啁啾系数F，从而实现几十微米分辨率 的连续分布式家触点位置测量。
如图2所示本发明长啁啾光栅光纤仿生触角感知的原理示意图，啁 啾光栅光纤在正常情况下的波谱图为l；当某一点受力时，啁啾光栅光纤 呈现的光谱图为m；当啁啾光栅光纤发生轴向应变时，呈现的光谱图为n。
当受力点中心位于第I段子光栅时，其反射率满足均匀光纤光栅的耦 合模方程，可以表示为：
其中，
在均匀的子光栅中，为常数，且当横向加载的力增大时， Λ(i)会随之增大，此时κ2为常数，光谱凹陷加深，凹陷的深度与该点受 力大小存在唯一对应关系。
设受力点中心的第I段光栅的前向光场和后向光场分别为Ri、Si。对 于布拉格光栅，其初始条件为：R0＝R(L/2)＝1和S0＝S(L/2)＝0，通过求解可得 R(-L/2)＝RM和S(-L/2)＝SM。第I段的传输矩阵为：
从耦合模方程可得到布拉格光栅的传输矩阵为:
其中有：
则总的矩阵可表示为：
由上述分析，本发明长啁啾光栅光纤仿生触角在不同接触点出现受 力时，会出现光谱凹陷。如图3所示本发明一个实施例长啁啾光栅光纤 仿生触角不同接触点位置感知与判断光谱的示意图，实施例中，示例性 的以仿生触角的五个接触点进行测量，即接触点a、接触点b、接触点c、 接触点d和接触点e。相邻接触点之间的距离为0.05m。当在啁啾光栅的接触点位置进行受力加载时，会在长啁啾光纤光栅上引入应变，反射谱 对应位置会出现光谱凹陷。根据波谱出现的凹陷判断物体接触点的坐标， 进而获得物体的轮廓。
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，利用长周期光栅光纤的轴向应力整体光 谱的漂移判断触角的曲率变化，根据接触点位置受力产生的光谱凹陷判 断物体接触点的坐标，进而获得物体的轮廓。
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)
1.一种长啁啾光栅光纤仿生触角，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、光纤光开关、光纤传感处理器，其中
所述触角基材骨架为圆柱体或正棱柱，所述触角基材骨架上等间隔封装多个长周期光栅光纤；
所述长周期光栅光纤连接所述触角卡扣接头内的光纤光开关，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所述的仿生触角，其特征在于，所述触角基材骨架为圆柱体，多个所述长周期光栅光纤沿所述触角基材骨架截面等间隔封装。
3.根据权利要求1所述的仿生触角，其特征在于，所述触角基材骨架为正棱柱，多个所述长周期光栅光纤分别沿所述触角基材骨架截面每一边的中线封装。
4.根据权利要求1至3中任一权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。
5.根据权利要求4所述的仿生触角，其特征在于，长周期光栅光纤间隔封装3～5根，每根所述长周期光栅光纤的栅区长度在5-30cm，光谱宽度为10-50nm，反射率大于50％，波段范围为1520-1570nm。
6.根据权利要求5所述的仿生触角，其特征在于，触角基材骨架为柔性记忆合金丝，所述长周期光栅光纤粘贴于触角基材骨架表面。
7.根据权利要求6所述的仿生触角，其特征在于，所述长周期光栅光纤采用环氧胶或光纤金属焊锡进行粘贴。
8.根据权利要求5所述的仿生触角，其特征在于，触角基材骨架为编织成形的复合材料杆，所述长周期光栅光纤直接编制进所述触角基材骨架中。
9.根据权利要求5所述的仿生触角，其特征在于，触角基材骨架为硅胶条，所述长周期光栅光纤固化埋入所述触角基材骨架中。
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。
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