CN108562385A - 一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法 - Google Patents
一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108562385A CN108562385A CN201810188920.9A CN201810188920A CN108562385A CN 108562385 A CN108562385 A CN 108562385A CN 201810188920 A CN201810188920 A CN 201810188920A CN 108562385 A CN108562385 A CN 108562385A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- elastooptic mateiral
- light path
- light
- elastooptic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 44
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 claims description 7
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 claims description 7
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 claims description 7
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 claims description 7
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 claims description 7
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 3
- 239000000382 optic material Substances 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 2
- 239000012636 effector Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 241000549556 Nanos Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 230000008713 feedback mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/241—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法，采用光弹性材料而非基于MEMS技术的微力传感器实现系统的力反馈，提高了通用性且降低了成本，提高了为机器人系统的操作与组装的整体可行性；此外，本发明在光弹性材料下利用隔板的支撑，使得与入射光源同方向的施加力可视化，大大提高了操作过程中的力反馈的精准度，很大程度上降低了操作的失误率。
Description
技术领域
本发明属于机器人微操作技术领域，具体涉及一种利用光弹性材料做微观系统的力反馈方法。
背景技术
多操作器协同操作与组装是微机器人系统的最重要的应用之一。在很多领域都会用到这种技术，例如微组织的构建、对细胞的操作研究。在操作与组装过程中，操作器和其他物体之间的接触碰撞是不可避免的，缺少力反馈可能导致操作器损毁或操作失败，因此在微系统中集成力反馈是很有意义的。
现有的力反馈是通过基于MEMS技术的微力传感器实现的，直接集成在末端执行器上。这种方法优点在于数据精确，能直接获取力的数值。然而，局限性也很突出。一方面，微力传感器价格昂贵，使得其广泛使用受到了限制。另一方面，微力传感器通用性差，在实际试验中，由于末端执行器的不同，微力传感器有时不能集成。例如，当实验中必须使用探针作为执行器时，很难将微力传感器集成在其末端。因此，其使用范围也受到了限制。第三方面，微力传感器易损毁或污染，再加上高昂的成本，对研究的大量进行造成了阻碍。
发明内容
本发明的目的是：为了改进现有测量微力的方法，提出一种利用光弹性材料在微观操作中实现力反馈的装置及方法。
本发明的技术方案如下：
在一个方面，本发明提供了一种微力测量方法，其包括以下步骤：
使待测的力作用在光弹性的材料上；所述光弹性材料能够在力作用下产生双折射效应；
使单色光通过第一光路照射到所述光弹性材料；
通过第二光路观测所述单色光透过光弹性材料后所产生的条纹；
根据所述条纹分析、计算出所述的力。
优选地，所述光弹性材料被分割，形成相对独立的材料受力单元。
优选地，所述第一光路依次包括第一偏振片、第一1/4波片。
优选地，所述第二光路依次包括第二1/4波片、第二偏振片。
优选地，所述力的大小通过以下公式计算：
式中σ1、σ2为一对正交应力，n为条纹级数，λ为所述单色光的波长，c为所述光弹性材料的光弹性常数，h为所述光弹性材料的厚度，f为材料条纹常数，h为受力材料的厚度。
在另一方面，本发明还提供了一种在微观操作中实现力反馈的装置，包括：
材料模块，其能够在力作用下产生双折射效应；所述材料模块设置在被操作的物体下方，以使得物体在微观操作中所受到的力被传递到所述材料模块；
光源，其能够发出具有特定波长的单色光；
第一光路模块，其设置在所述光源与所述材料模块之间，以使得所述单色光通过所述第一光路模块照射到所述材料模块上，并产生一定的条纹；
第二光路模块，其设置在所述材料模块与分析模块之间，以使得单色光透过所述材料模块产生的条纹被所述分析模块收集；
分析模块，其能够收集并分析所述的条纹，计算出所述物体所受到的力；
反馈模块，其能够所述物体所受到的力提供所述微观操作的反馈。
优选地，所述材料模块包括光弹性材料和隔板；所述隔板将所述光弹性材料分割成相对独立的材料受力单元。
优选地，所述第一光路模块依次包括第一偏振片、第一1/4波片；所述第二光路模块依次包括第二1/4波片、第二偏振片。
优选地，所述力的大小通过以下公式计算：
式中σ1、σ2为一对正交应力，n为条纹级数，λ为所述单色光的波长，c为所述光弹性材料的光弹性常数，h为所述光弹性材料的厚度，f为材料条纹常数，h为受力材料的厚度。
优选地，所述材料模块通过以下步骤制备：
步骤1：在60℃以上环境，明胶熔为液体，与水混合均匀；
步骤2：液体中混入甘油，混合均匀；
步骤3：将隔板放置于模型底部；
步骤4：温度60℃以上时，将混合液体倒入模型，自然冷却后，液体固化，形成材料与隔板连为一体的光弹性材料模块。优选地，光弹性材料的制备过程中的明胶固体与甘油与水的最佳比例为2:3:5。
优选地，隔板将所述材料模块整体分割，形成相对独立的材料受力单元，不仅可以将垂直力转化为水平力，而且受力厚度等于隔板高度，可以根据需要控制。
通过以上技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用光弹性材料而非基于MEMS技术的微力传感器实现系统的力反馈，提高了通用性且降低了成本，提高了为机器人系统的操作与组装的整体可行性；
(2)本发明在光弹性材料下利用隔板的支撑，使得与入射光源同方向的施加力可视化，大大提高了操作过程中的力反馈的精准度，很大程度上降低了操作的失误率。
附图说明
图1为本发明的利用光弹性材料在微观操作中实时力反馈的构建示意图；
图2为本发明的一个实施例的光路的示意图；
图3为根据本发明的微纳米操作系统结构示意图。
其中各个附图标记的含义为：1-探针、2-研究物体、3-用明胶、水和甘油制备的光弹性材料、4-隔板、11-单色光、12-第一偏振片，16-第二偏振片、13-第一1/4波片，15-第二1/4波片、14-光弹性材料、21-高精度微纳米操作机器人、22-显微镜、23-防震操作台、24-光源、25-光过滤器、26-偏振片、27-1/4波片、28-摄像头。
具体实施方式
参见附图1，其示出的是利用光弹性材料在微观操作中实时力反馈的构建装置，它包括：探针1、研究物体2、用明胶、水和甘油制备的光弹性材料3、隔板4、培养皿；其中光弹性材料3是在温度60℃自然冷却后，液体固化，形成与隔板4连为一体的光弹性材料模块；培养皿内放置光弹性材料模块。
参见附图2，其示出的是所述的根据本发明的一个实施例的可行光路，该光路包括：发出单色光的装置11、第一偏振片12、第二偏振片16、第一1/4波片13、第二1/4波片15、光弹性材料14。
其中，光弹性材料14能够在压力P的作用下产生双折射效应，从而产生一定的条纹，并且条纹的级数与光弹性材料14内的应力有关。
在一优选的实施方式中，所述光弹性材料的制备过程包括以下步骤：
步骤1：在60℃以上环境，明胶熔为液体，与水混合均匀；
步骤2：液体中混入甘油，混合均匀；
步骤3：将隔板放置于模型(普通容器)底部；
步骤4：温度60℃以上时，将混合液体倒入模型，自然冷却后，液体固化，形成材料与隔板连为一体的光弹性材料模块。
光弹性材料的制备过程中的明胶固体与甘油与水的最佳比例为2:3:5。
所述隔板将所述材料模块整体分割，形成相对独立的材料受力单元，不仅可以将垂直力(主要作用力)转化为水平力，而且受力厚度等于隔板高度，可以根据需要控制。
参见附图3,其示出的是根据本发明的一个实施例的微纳米操作系统，其中包括：高精度微纳米操作机器人21、显微镜22、防震操作台23、光源24、第一光路模块、光弹性材料模块、第二光路模块、摄像头28，以及分析模块(图中未示出)。
在图3所示的实施例中，第一、第二光路模块具体包括：光过滤器25、偏振片26、1/4波片27。
所述光源能够发出具有特定波长的单色光。本领域技术人员能够理解，此处的光源可以使用现有技术中任何适用的能够发出具有特定波长的单色光的光源，其可以是只发出单一波长的发光装置，也可以是包括发出多种波长的光的装置和将特定波长的光分离出来的装置的光源。
利用所述光源24通过所述第一光路模块在所述光弹性材料模块产生的可观测的条纹，可通过相关的推导公式计算出此时的应力状态。
其中，所述微纳米操作系统的具体操作包括以下步骤：
探针对物体操作过程中存在一定的力，物体将力传递到下方的所述光弹性材料模块上。
受力单元将垂直作用力转化为水平作用力，使得所述光弹性材料模块在特定的所述光路模块下，由没有条纹到产生一定的明暗相间的条纹。
分析模块收集、分析、计算出物体相对应的受力大小，继而通过所述反馈模块反馈到所述操作模块，调整施加的力的大小。
通过以上实施例，本发明提供了一种利用光弹性材料在力作用下的视觉改变提供力反馈信息的方法。这种方法不仅通用性提高，而且成本低廉。
本发明的技术方案中选择光弹性材料的原因如下。
(1)在一定的光路下，力作用下的光弹性材料能呈现出光强的变化，使得力可视化。
(2)光强大小反映力的大小。
(3)易于集成于微操作系统中。
(4)材料简单易得，便于制备。
在本发明的一个典型实施例中提供了一种可行的光路。对应公式为：
其推导过程如下：
光强
∵λex≈λG
∴Re＝n·λG
其中，σ1、σ2为一对正交应力；n为条纹级数；λG为入射光波长；c为材料的光弹性常数；h为受力材料的厚度；f为材料条纹常数；Re为光程差；θ为受力的方向；λex为1/4波片的中心波长。
这种方法通过构建基于光弹性材料的力反馈机制，突破了原有的基于MEMS技术的微力传感技术，为微力测量开辟了新的思路，促进光学与力学相结合，为生物物理等多个领域提供了新途径。
以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微力测量方法，其包括以下步骤：
使待测的力作用在光弹性的材料上；所述光弹性材料能够在力作用下产生双折射效应；
使单色光通过第一光路照射到所述光弹性材料；
通过第二光路观测所述单色光透过光弹性材料后所产生的条纹；
根据所述条纹分析、计算出所述的力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光弹性材料被分割，形成相对独立的材料受力单元。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一光路依次包括第一偏振片、第一1/4波片。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二光路依次包括第二1/4波片、第二偏振片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述力的大小通过以下公式计算：
式中σ1、σ2为一对正交应力，n为条纹级数，λ为所述单色光的波长，c为所述光弹性材料的光弹性常数，h为所述光弹性材料的厚度，f为材料条纹常数，h为受力材料的厚度。
6.一种在微观操作中实现力反馈的装置，包括：
材料模块，其能够在力作用下产生双折射效应；所述材料模块设置在被操作的物体下方，以使得物体在微观操作中所受到的力被传递到所述材料模块；
光源，其能够发出具有特定波长的单色光；
第一光路模块，其设置在所述光源与所述材料模块之间，以使得所述单色光通过所述第一光路模块照射到所述材料模块上，并产生一定的条纹；
第二光路模块，其设置在所述材料模块与分析模块之间，以使得单色光透过所述材料模块产生的条纹被所述分析模块收集；
分析模块，其能够收集并分析所述的条纹，计算出所述物体所受到的力；
反馈模块，其能够所述物体所受到的力提供所述微观操作的反馈。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述材料模块包括光弹性材料和隔板；所述隔板将所述光弹性材料分割成相对独立的材料受力单元。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一光路模块依次包括第一偏振片、第一1/4波片；所述第二光路模块依次包括第二1/4波片、第二偏振片。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述力的大小通过以下公式计算：
式中σ1、σ2为一对正交应力，n为条纹级数，λ为所述单色光的波长，c为所述光弹性材料的光弹性常数，h为所述光弹性材料的厚度，f为材料条纹常数，h为受力材料的厚度。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述材料模块通过以下步骤制备：
步骤1：在60℃以上环境，明胶熔为液体，与水混合均匀；
步骤2：液体中混入甘油，混合均匀；
步骤3：将隔板放置于模型底部；
步骤4：温度60℃以上时，将混合液体倒入模型，自然冷却后，液体固化，形成材料与隔板连为一体的光弹性材料模块。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810188920.9A CN108562385A (zh) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | 一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810188920.9A CN108562385A (zh) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | 一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108562385A true CN108562385A (zh) | 2018-09-21 |
Family
ID=63532468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810188920.9A Pending CN108562385A (zh) | 2018-03-08 | 2018-03-08 | 一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108562385A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113514178A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-10-19 | 江南大学 | 一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2267735A1 (en) * | 1974-04-17 | 1975-11-14 | Anvar | Orthopaedic sole pressure distribution indicator - for analysing foot trouble during walking |
| DE3214306A1 (de) * | 1982-04-19 | 1983-10-27 | Helmut Dipl Ing Baur | Flaechiger gefuehlssensor |
| EP0195873B1 (en) * | 1985-03-28 | 1989-11-08 | The Goodyear Tire & Rubber Company | A method of forming a colour graduated picture from a black-white graduated picture and in particular a method of producing a colour graduated isobar representation of a pressure distribution |
| CN101266215A (zh) * | 2008-03-13 | 2008-09-17 | 大连理工大学 | 数字光弹性中的一种全场剪应力自动确定方法 |
| CN103063355A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-24 | 华南理工大学 | 基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置 |
-
2018
- 2018-03-08 CN CN201810188920.9A patent/CN108562385A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2267735A1 (en) * | 1974-04-17 | 1975-11-14 | Anvar | Orthopaedic sole pressure distribution indicator - for analysing foot trouble during walking |
| DE3214306A1 (de) * | 1982-04-19 | 1983-10-27 | Helmut Dipl Ing Baur | Flaechiger gefuehlssensor |
| EP0195873B1 (en) * | 1985-03-28 | 1989-11-08 | The Goodyear Tire & Rubber Company | A method of forming a colour graduated picture from a black-white graduated picture and in particular a method of producing a colour graduated isobar representation of a pressure distribution |
| CN101266215A (zh) * | 2008-03-13 | 2008-09-17 | 大连理工大学 | 数字光弹性中的一种全场剪应力自动确定方法 |
| CN103063355A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-24 | 华南理工大学 | 基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 冯小琴等: ""光弹性技术测试应力"", 《电子测试》 * |
| 王化平: ""微纳操作机器人细胞三维组装方法研究"", 《中国博士学位论文全文数据库》 * |
| 郑永学: "《矿上岩体力学》", 31 October 1988, 冶金工业出版社，第一版 * |
| 韩江义等: ""一种具有力觉反馈的遥微操作系统分析"", 《机械设计与研究》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113514178A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-10-19 | 江南大学 | 一种基于三波长照明光源的光弹性应力测量系统与方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108895978B (zh) | 一种基于裸光纤的光纤应变传感器灵敏度标定方法 | |
| JP4568888B2 (ja) | 応力解析方法及び応力解析装置 | |
| Kisała et al. | Method of simultaneous measurement of two direction force and temperature using FBG sensor head | |
| CN205655942U (zh) | 一种应变和温度同时测量的光纤传感器 | |
| JP2007192689A (ja) | 応力・歪みの解析方法及び装置 | |
| CN109766618A (zh) | 一种基于机器学习的应力应变预测方法 | |
| KR20150074618A (ko) | 교량의 3차원 변위측정시스템 및 그 운용방법 | |
| Ma et al. | Strain transfer characteristics of surface-attached FBGs in aircraft wing distributed deformation measurement | |
| CN209689818U (zh) | 一种简易的力传感器标定装置 | |
| CN108562385A (zh) | 一种基于光弹性效应的微操作实时力反馈装置及方法 | |
| Gu et al. | The fabrication of anti-reflection grating structures film for solar cells using vibration-assisted UV nanoimprint lithography | |
| CN106769532A (zh) | 一种利用光干涉法测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法 | |
| Liu et al. | A novel fibre Bragg grating curvature sensor for structure deformation monitoring | |
| CN201561829U (zh) | 一种铁磁薄膜的力热磁耦合行为的检测装置 | |
| Silva et al. | Stress field evolution under mechanically simulated hull slamming conditions | |
| CN208076080U (zh) | 一种热压固化复合材料制件与模具界面应力监测系统 | |
| CN101672812B (zh) | 平板导热系数测定仪试件夹紧力检测机构及其检测方法 | |
| Guinchard et al. | Mechanical strain measurements based on fiber Bragg grating down to cryogenic temperature–precision and trueness determination | |
| CN109883611A (zh) | 一种简易的力传感器标定装置和方法 | |
| CN109883586B (zh) | 一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器及其应用 | |
| Mills | A sapphire MEMS-based optical shear stress sensor for high-temperature applications | |
| Guo et al. | Temperature compensated three-directional fiber Bragg grating strain sensor with big measurement range and high accuracy | |
| Liu et al. | A Two-Dimensional Reticular Core Optical Waveguide Sensor for Tactile and Positioning Sensing | |
| CN109211302A (zh) | 裸fbg应变传感器的标定用装置、标定系统及标定方法 | |
| Guo et al. | Design of three-direction strain sensor with big measurement range for structural health monitoring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180921 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |