CN108519168A - 基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用，利用光纤传感器技术模拟出具有人类力与温度感知定位的仿生皮肤，将这种仿生皮肤粘贴在机器人的外表面上，通过触及仿生皮肤来解决机器人模拟人类的力与温度感知定位的问题，该仿生皮肤应用到机器人上具有安装简便，不影响机器人的执行动作，也不影响机器人结构的排布，模拟人类皮肤的感知效果好的特点。
Description
技术领域：
本发明属于传感器领域，具体涉及基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用。
背景技术：
随着集成电路、传感器、人工智能技术的发展，机器人的感知能力也越来越发达，通过立体视觉、麦克风阵列等技术，机器人可以获取类似人的视觉、听觉所感知的信息，然而对人类触觉的模拟仍然是机器人领域的一个难题。
触觉是指分布于全身皮肤上的神经细胞，接受来自外界的温度、湿度、疼痛、压力、振动等方面的感觉。多数动物的触觉器是遍布全身的，像人的皮肤位于人的体表，依靠表皮的游离神经末梢能感受温度、痛觉、触觉等多种感觉。狭义的触觉，指刺激轻轻接触皮肤触觉感受器所引起的肤觉。广义的触觉，还包括增加压力使皮肤部分变形所引起的肤觉，即压觉，一般统称为“触压觉”。
触觉，是人类的第五感官，也是最复杂的感官。触觉中包含有至少十一种截然不同的感觉。皮肤上有数百万计的感觉末梢，每一小块皮肤都与另一小块皮肤不同，每一小块皮肤上感觉器官分布的数量也不同。因此，对于疼痛、冷、热以及其他的感觉也不相同。由此可见，触觉的产生是非常复杂且难以模拟的。目前大部分触觉传感器只是对单点或多点的压力进行测量，与人类庞大的触觉感官相比，能力上还相去甚远。
常用的触觉传感器主要有一下几个类型：
①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式(未接触时一直接通)微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。
②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件，当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。
③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后，含碳海绵的电阻减小，测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便；缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。
④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。
⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力，与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。
可见要实现类似人类皮肤的触觉感知，需要解决几个问题：
(1)传感器覆盖范围大。对于一个真人大小的人形机器人来说，欲要模拟皮肤的感知能力，需要传感器必须覆盖机器人的绝大部分面积。
(2)空间分辨率高。为了实现任意位置的触觉感知，需要传感器具有相当高的空间分辨率，以便机器人精确的捕获触感位置，进行相应的处理操作。
(3)传感器便于布设。机器人关节多，动作灵活，传感器布设时需充分考虑安装的简便性，不影响机器人执行动作，尽量少的影响机器人结构的排布。
(4)力与温度双重感知。人体皮肤触觉最常用的两种感受就是力和温度，因此传感器应尽量满足双重感知能力，这对于机器人的自身保护来说十分关键。
发明内容：
本发明为克服上述缺陷，提供了基于光纤传感的机器人仿生皮肤及其定位方法和应用，通过基于光纤传感技术的仿生皮肤以及应用该仿生皮肤的机器人，以解决机器人模拟人类的力与温度感知定位的问题。
本发明采用的技术方案在于：
一种基于光纤传感技术的仿生皮肤，包括：光纤皮肤带和光纤解调设备，所述光纤皮肤带的一端与光纤解调设备连接，所光纤皮肤带述包括一根单模光纤和一根多模光纤，并排设置的单模光纤和多模光纤通过柔性材料进行扁平化封装；所述光纤解调设备包括布里渊解调仪和拉曼解调仪，布里渊解调仪用于力的分布式测量，拉曼解调仪用于温度的分布式测量，且单模光纤与布里渊解调仪连接，多模光纤与拉曼解调仪连接。
一种应用仿生皮肤感知功能的机器人，包括机器人本体和仿生皮肤，所述仿生皮肤中的光纤皮肤带粘贴布设在机器人本体的外表面上，光纤解调设备安装于及其本体上。
优选地，所述光纤皮肤带以S型等间距铺设。
一种仿生皮肤的感知定位方法，应用仿生皮肤感知功能的机器人，该机器人的感知定位方法包括以下步骤：
受力区域P的定位方法为：
S1：通过变化量曲线确定突变区域，光纤解调设备3测量的初始状态得到应变曲线S0，之后实时测量应变曲线St，将St与S0做差，得到相对应变变化量曲线St-0，若St-0曲线上出现一处突变区域，则该区域就对应受力区域P；
S2：控制器从布里渊解调仪读取力的数据后再进行坐标的定位，当局部区域受到作用力下，在St-0曲线上可以观测出该受力区域P至光纤解调设备输入端的距离，控制器可以计算出该受力区域P的坐标；
局部的温度突变区域也由以上相同的计算步骤来定位。
优选地，所述受力区域或局部温度变化区域P的定位坐标为：
xp＝round((LP-L1)/(L2+L3))
yp＝L2-(LP-L1-(L2+L3)×xp)
其中：xp为受力区域或局部温度变化区域对应x轴上的数值、yp为受力区域或局部温度变化区域对应y轴上的数值、LP为受力区域或局部温度变化区域至光纤解调设备输入端的距离、L1为光纤解调设备到光纤皮肤带起始粘贴位置之间的距离、L2为光纤皮肤带粘贴区的纵向距离、L3为光纤皮肤带弯曲部相邻光纤皮肤带之间的距离。
本发明的有益效果是：
1、由于光纤皮肤带是由一根单模光纤和一根多模光纤构成的，而其中单模光纤用于力的感知，多模光纤用于温度的感知，因此当触及一根光纤皮肤带就可以实现力与温度的双重感知。而人体皮肤触觉最常用的两种感受就是力和温度，因此本发明与常用的触觉传感器相比，更接近人体皮肤的感知效果。
2、由光纤皮肤带以S型布设在机器人的外表面上，可以很方便地覆盖机器人的绝大部分面积，使感知范围大；光纤皮肤带是通过粘贴方式固定在机器人外表面上的，安装简便，不影响机器人的执行动作，也不影响机器人结构的排布。
3、由于光纤传感器尺寸小、重量轻、便于柔性封装、可以全分布式测量，并且可以同时进行力和温度的感知测量，定位精度较高。而现有传感器只能进行单点测量，且只能测量单一物理量，安装布设复杂，故障率高，由于传感器本身的尺寸无法微型化，所以即使安装多个传感器也无法获得很高的定位精度。
附图说明：
图1为实施例2的结构示意图；
图2为实施例2中光纤皮肤带S型等间距布置图；
其中：1机器人本体、2光纤皮肤带、3光纤解调设备。
具体实施方式：
实施例1
一种基于光纤传感技术的仿生皮肤，包括：光纤皮肤带2和光纤解调设备3，通过对所述光纤皮肤带2的一端与光纤解调设备3连接，为了实现触及一根光纤皮肤带2实现力与温度的双重感知这一目的，本申请所述光纤皮肤带2包括一根单模光纤和一根多模光纤，并排设置的单模光纤和多模光纤通过柔性材料进行扁平化封装；所述光纤解调设备3包括布里渊解调仪和拉曼解调仪，布里渊解调仪用于力的分布式测量，拉曼解调仪用于温度的分布式测量，且单模光纤与布里渊解调仪连接，多模光纤与拉曼解调仪连接。
力与温度感知的基本原理如下：
1、力的感知
光通过光纤时，入射光子与光纤中因自发热运动产生的声子发生非弹性碰撞而产生布里渊散射。布里渊散射光包括频率下移的斯托克斯光和频率上移的反斯托克斯光，其与入射光的频率差值被称为布里渊频移。布里渊频移也受温度和应变的调制，其表达式为：
式中fB——布里渊频移；
np——光纤的有效折射率；
λp——入射光波长；
vA——声速。
光纤中的声速表达式为：
式中μ——光纤的泊松比。
ρ——光纤密度；
E——光纤的弹性模量。
由于泊松比、密度、弹性模量受环境温度和应变的影响而发生变化，因此上式可改写为：
最终可得：
由上式可明显看出，布里渊频移为温度和应变的函数，若环境温度不变，则可认为布里渊频移仅与应变有关，由此可以进行力的感知。而受力区域的定位则需要借助布里渊光时域反射技术BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometey)。
BOTDR技术的基础是OTDR光时域反射技术，基于BOTDR的光纤布里渊压力监测可以单端测量，可实现任意测点的监测，即可实现全分布式测量，因此可解决力的触觉感知问题。
2温度的感知
脉冲激光注入光纤后，脉冲光子和光纤中的光子会产生非弹性碰撞，产生拉曼散射，能量交换的结果产生了波长大于入射光的斯托克斯光Is和波长小于入射光的反斯托克斯光Ias。二者的产生均与所处环境温度有关，其强度比值为：
式中λs——斯托克斯光的波长；
λas——反斯托克斯光的波长；
h——普朗克常数；
c——真空中的光速；
Δγ——拉曼频移；
k——玻尔兹曼常数；
T——绝对温度。
由上式变化可得
对于标定温度T0，有：
由上面两式，得到温度T的求解式：
利用上式即可求解得到光纤拉曼传感器测点的绝对温度值，而为了实现温度的分布式感知，需要借助拉曼光时域反射技术ROTDR(Roman Optical Time DomainReflectometey)。基于ROTDR的光纤拉曼温度监测可以单端测量，可实现任意测点的监测，即可实现全分布式测量，因此可解决温度的感知问题。
实施例2
如图1和图2所示，一种应用仿生皮肤感知功能的机器人，包括机器人本体1，该机器人采用实施例1所述的基于光纤传感技术的仿生皮肤，所述仿生皮肤中的光纤皮肤带2以S型等间距粘贴布设在机器人本体1的外表面上，在机器人本体1的躯干部分安装有光纤解调设备3和控制器，控制器与光纤皮肤带2的一端通过光纤解调设备3进行连接，所述控制器可以选用型号FX3U-48MTES-A，所述光纤解调设备3包含一个布里渊解调仪和一个拉曼解调仪，布里渊解调仪用于力的分布式测量，拉曼解调仪用于温度的分布式测量，光纤皮肤带2包括一根单模光纤和一根多模光纤，单模光纤和多模光纤通过柔性材料进行扁平化封装，单模光纤的一端与布里渊解调仪连接，多模光纤的一端与拉曼解调仪连接。由于在机器人本体1的外表面上以S型等间距布设光纤皮肤带2，光纤皮肤带2可以很方便地覆盖机器人本体1的绝大部分面积，使感知范围大；而且光纤皮肤带2是扁平的带状，通过粘贴方式固定在机器人本体1的外表面上，具有安装简便，不占用空间，不影响机器人的执行动作，也不影响机器人本体1结构的排布。
使用时，以机器人本体1的一条腿部为例进行介绍，当对机器人本体1的腿部表面的光纤皮肤带2施力时，光纤解调设备3中的布里渊解调仪进行测量，在温度不变的情况下，通过布里渊解调仪可以确定受力区域的位置；同理如果在力不变的情况下，通过拉曼解调仪可以确定局部温度变化区域。
实施例3
一种仿生皮肤的感知定位方法，该方法基于实施例2所述的机器人，将光纤皮肤带2等间距进行布设在机器人本体1的外表面上，光纤皮肤带2的一端与光纤解调设备3进行连接，所述光纤皮肤带2包括一根单模光纤和一根多模光纤，并通过柔性材料进行扁平化封装，所述光纤解调设备3包含一个布里渊解调仪和一个拉曼解调仪，布里渊解调仪连接着单模光纤，用于力的分布式测量；拉曼解调仪连接着多模光纤，用于温度的分布式测量。
具体定位方法为：
S1：通过变化量曲线确定突变区域。光纤解调设备3测量的初始状态得到应变曲线S0，之后实时测量应变曲线St，将St与S0做差，得到相对应变变化量曲线St-0，若St-0曲线上出现一处突变区域，则该区域就对应受力区域P；
S2：控制器从布里渊解调仪读取力的数据后再进行坐标的定位，当局部区域受到作用力下，在St-0曲线上可以观测出该受力区域P至光纤解调设备3输入端的距离，控制器可以计算出该受力区域P的坐标；
受力区域P的定位坐标为：
xp＝round((LP-L1)/(L2+L3))
yp＝L2-(LP-L1-(L2+L3)×xp)
其中：xp为受力区域对应x轴上的数值、yp为受力区域对应y轴上的数值、LP为受力区域至光纤解调设备3输入端的距离、L1为光纤解调设备3到光纤皮肤带2起始粘贴位置之间的距离、L2为光纤皮肤带2粘贴区的纵向距离、L3为光纤皮肤带2弯曲部相邻两个光纤皮肤带2之间的距离。
局部的温度突变区域也由以上相同的计算步骤来定位。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于光纤传感技术的仿生皮肤，其特征在于，包括：光纤皮肤带(2)和光纤解调设备(3)，所述光纤皮肤带(2)的一端与光纤解调设备(3)连接，所述光纤皮肤带(2)包括一根单模光纤和一根多模光纤，并排设置的单模光纤和多模光纤通过柔性材料进行扁平化封装；所述光纤解调设备(3)包括布里渊解调仪和拉曼解调仪，布里渊解调仪用于力的分布式测量，拉曼解调仪用于温度的分布式测量，且单模光纤与布里渊解调仪连接，多模光纤与拉曼解调仪连接。
2.一种应用仿生皮肤感知功能的机器人，采用权利要求1所述的仿生皮肤，其特征在于：包括机器人本体(1)和仿生皮肤，所述仿生皮肤中的光纤皮肤带(2)粘贴布设在机器人本体(1)的外表面上，光纤解调设备(3)安装于及其本体(1)上。
3.如权利要2所述的一种具有仿生皮肤感知功能的机器人，其特征在于：所述光纤皮肤带(2)以S型等间距铺设。
4.一种仿生皮肤的感知定位方法，采用如权利要求2所述的应用仿生皮肤感知功能的机器人，其特征在于：该机器人的感知定位方法包括以下步骤：
受力区域P的定位方法为：
S1：通过变化量曲线确定突变区域，光纤解调设备3测量的初始状态得到应变曲线S0，之后实时测量应变曲线St，将St与S0做差，得到相对应变变化量曲线St-0，若St-0曲线上出现一处突变区域，则该区域就对应受力区域P；
S2：控制器从布里渊解调仪读取力的数据后再进行坐标的定位，当局部区域受到作用力下，在St-0曲线上可以观测出该受力区域P至光纤解调设备(3)输入端的距离，控制器可以计算出该受力区域P的坐标；
局部的温度突变区域也由以上相同的计算步骤来定位。
5.如权利要求4所述的一种仿生皮肤的感知定位方法，其特征在于：所述受力区域或局部温度变化区域P的定位坐标为：
xp＝round((LP-L1)/(L2+L3))
yp＝L2-(LP-L1-(L2+L3)×xp)
其中：xp为受力区域或局部温度变化区域对应x轴上的数值、yp为受力区域或局部温度变化区域对应y轴上的数值、LP为受力区域或局部温度变化区域至光纤解调设备(3)输入端的距离、L1为光纤解调设备到光纤皮肤带(2)起始粘贴位置之间的距离、L2为光纤皮肤带(2)粘贴区的纵向距离、L3为光纤皮肤带(2)弯曲部相邻光纤皮肤带(2)之间的距离。
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