CN109932111A - 光纤分布式空间三维力触觉感知方法 - Google Patents

光纤分布式空间三维力触觉感知方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤分布式空间三维力触觉感知方法，所采用的啁啾光纤光栅三维力触觉传感器，此传感器包括分布在不同层面上的多个二维力触觉传感面阵；每个面阵由多根分布在一个平面上不同位置处的啁啾光纤光栅用单模光纤连接而成，不同的啁啾光纤光栅的反射光谱波长范围均不相同，每个啁啾光纤光栅的轴向尺寸上的任意位置与其反射光谱带宽内的实际波长大小对应，并且在受到外界压力时对应点的波长发生变化，以实现力触觉的点分布感知。

Description

光纤分布式空间三维力触觉感知方法
技术领域
本发明属于触觉传感技术领域，主要应用于机器人或智能制造的力触觉传感技术。本发明涉及一种以光纤啁啾光栅为压力敏感元件，通过密集三维空间压力分辨技术，实现立体三维空间力触觉的大小与方向传感方法，以及相关器件的设计。
背景技术
触觉传感是模拟人的皮肤感知,定量的实现传感单元(如：机械手，仿生触须)与对象接触面力的感觉,是一种小尺寸范围内、高空间分辨精度的传感技术。目前，随着我国人工智能机器人技术的高速发展，很多国产机器人零部件精度、稳定性已经可以替代进口。但是仍有一项技术依旧依赖进口，那就是触觉传感器技术，2018年被科技日报列为我国卡脖子技术之一
触觉传感技术的难点在于空间三维力(力的方向)的测量:传统电子触觉传感技术在小空间范围集成高密度的阵列传感元件，敏感元件越多、相互之间的距离越短，元件间的耦合干扰使得越难做到准确地输出，这个尤其体现在空间多维力测量技术中。
国内触觉传感的专利申请和授权，基本集中在柔性电子器件领域，如：基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列(CN102589759A)一种高灵敏度触觉传感器(CN108185997A)一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列(CN206281590U)一种新型电子触觉皮肤(CN109029800A)等等
但是相比较而言，日本和欧美在电子触觉传感领域的研究成果与产业化处于国际领先的地位，文章和专利设计的技术参数均高于我国，如韩国在医用触觉感知方面的专利(KR1914979-B1)，日本在柔性触觉面板和触觉手指的专利(JP2018180621-A，JP2018175459-A)等等。可以看出，在原创技术的追赶中，后来者必须绕过先行者的相关专利保护，除非找到明显更优解，否则很可能会因为绕过专利而提高技术达成的门槛。因此，如何绕过国外在触觉传感领域的布局，从光纤分布式传感技术突破目前的测量参数局限，是本发明专利的目的。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是绕过电子器件阵列触觉传感的技术手段，克服传统压电器件传感器阵列的尺寸，相互信号耦合干扰等问题，利用啁啾光纤光栅压力敏感器件的高密度空间分布式应变分辨率的特点，采用分层结构设计，实现三维立体空间压力方向性的感知。
本发明的技术方案如下：
一种光纤分布式空间三维力触觉感知方法，所采用的啁啾光纤光栅三维力触觉传感器，此传感器包括分布在不同层面上的多个二维力触觉传感面阵；每个面阵由多根分布在一个平面上不同位置处的啁啾光纤光栅用单模光纤连接而成，不同的啁啾光纤光栅的反射光谱波长范围均不相同，每个啁啾光纤光栅的轴向尺寸上的任意位置与其反射光谱带宽内的实际波长大小对应，并且在受到外界压力时对应点的波长发生变化，以实现力触觉的点分布感知。利用波长线性可调的扫频光源输出的激光信号，经耦合器依次入射到各层啁啾光纤光栅二维力触觉传感面阵的各根啁啾光纤光栅和法拉第旋光镜，啁啾光栅的反射光和法拉第旋光镜的反射光再经光耦合器，输入到光电转换模块,标识啁啾光栅的空间点位置的反射波长和法拉第旋光镜的反射波长在光电转换模块中发生外差干涉，输出的拍频信号由数据采集模块采集，与扫频光源时间同步扫描采样的不同频率拍频信号定位啁啾光栅的相应的空间点；结合受力状态下的每层受力的梯度和等高线变化进行数值计算，推演出受力的大小和方向，实现空间三维触觉力的测量与分析。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)与现有的电子触觉感知方案相比，本发明用光学波长分辨率的方式实现空间力触觉分辨率，空间分辨率达到亚毫米量级，比目前所知的电子触觉感知方案参数高一个数量级，高于人体触觉分辨率的参数。
(2)本发明从光纤分布式传感的角度，利用啁啾光纤光栅的反射谱带宽内的波长值与空间尺寸位置一一对应的关系，实现了高密度空间力触觉感知的光学方式测量。
(3)本发明利用高密度空间点的力触觉测量能力，结合压力信号在三维空间内的分布情况数值分析，从光学测量角度实现了对空间三维力大小和方向的测量。
(4)本发明在光学波段传感，在电学波段测量，兼顾了光学传感的灵敏度和电学测量的便利性。
附图说明
图1啁啾光纤光栅一维力触觉传感单元(X方向)
图2柔性树脂材料封装的啁啾光纤光栅二维力触觉传感面阵(XY方向)。
图3柔性树脂材料封装的啁啾光纤光栅三维力触觉传感器(XYZ方向)
图4啁啾光纤光栅触觉三维力分布仿真图
图5啁啾光纤光栅触觉传感器信号解调系统结构图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
图1中的啁啾光纤光栅长度10厘米，可以看作线性一维结构。宽带光源入射啁啾光纤光栅的反射谱宽度对应啁啾光纤光栅的长度，反射谱内的实际波长对应啁啾光纤光栅一维结构上力敏感测量点分布的位置。具体如下：设计制作10cm轴向尺寸、0.25mm径向尺寸的啁啾光纤光栅线性一维传感单元，啁啾光纤光栅的反射光谱为1550nm波长为中心，带宽2nm的宽带光信号。啁啾光纤光栅10cm的轴向尺寸上的任意位置与反射光谱2nm带宽内的实际波长大小对应，并且在受到外界压力时对应点的波长发生变化，可以实现力触觉的点分布感知。因此，对啁啾光纤光栅反射波长的测量分辨率，决定啁啾光纤光栅作为力触觉传感器在光纤长度10cm范围内的空间点分辨率，理论上可以实现0.5mm的一维空间点分辨率。
图2中啁啾光纤光栅成二维面阵排列，表示树脂材料封装后啁啾光纤光栅的层分布结构，啁啾光纤光栅间隔0.5mm，形成XY二维面阵的力触觉传感单元。
图3中啁啾光纤光栅成三维立体排列，表示树脂材料封装后啁啾光纤光栅的多层立体结构，每层啁啾光纤光栅间隔0.5mm，形成XYZ三维立体的力触觉传感单元。将啁啾光纤光栅看作一维的、0.5mm空间分辨率的触觉感知单元(X方向)，再将相同原理不同反射带宽的啁啾光纤光栅连接，形成啁啾光纤光栅触觉传感阵列。将啁啾光纤光栅触觉传感阵列用环氧树脂(由Araldite DBF andARADUR HY 951按5:1的比例混合，杨氏模量2.9GPa)分层封装。每层啁啾光纤光栅排列间距0.5mm(Y方向)，层间距0.5mm(Z方向)。设计制作啁啾光纤光栅为传感元件的空间三维力触觉光纤传感模块，三维方向的点触觉密度均为0.5mm。
图4是啁啾光纤光栅三维力触觉传感器在外界力作用下的力矢量空间分布，可以看出由于力的方向和大小不同，每一层力的等值分布和梯度不同。利用高密度受力点分布的三维空间光纤传感模块，结合受力状态下的每层受力的梯度和等高线变化进行数值计算，推演出受力的大小和方向，实现空间三维触觉力的测量与分析。
图5为啁啾光纤光栅触觉传感信号测量系统结构，波长线性可调的扫频光源输出的激光信号，经耦合器分别入射到啁啾光纤光栅三维力触觉传感器和法拉第旋光镜，啁啾光栅的反射光和法拉第旋光镜的反射光再经光耦合器，输入到光电转换模块。对于每个啁啾光栅，标识啁啾光栅一维空间点位置的反射波长和法拉第旋光镜的反射波长在光电转换模块中发生外差干涉，输出的拍频信号由数据采集模块采集，与扫频光源时间同步扫描采样的不同频率拍频信号定位啁啾光栅的一维空间点。当啁啾光栅空间点受力时，该点光纤光栅产生瞬间色散时间延时，使对应点的拍频信号发生瞬时变化，通过时频分析来获得该点的受力信息。

Claims (1)

1.一种光纤分布式空间三维力触觉感知方法，所采用的啁啾光纤光栅三维力触觉传感器，此传感器包括分布在不同层面上的多个二维力触觉传感面阵；每个面阵由多根分布在一个平面上不同位置处的啁啾光纤光栅用单模光纤连接而成，不同的啁啾光纤光栅的反射光谱波长范围均不相同，每个啁啾光纤光栅的轴向尺寸上的任意位置与其反射光谱带宽内的实际波长大小对应，并且在受到外界压力时对应点的波长发生变化，以实现力触觉的点分布感知。利用波长线性可调的扫频光源输出的激光信号，经耦合器依次入射到各层啁啾光纤光栅二维力触觉传感面阵的各根啁啾光纤光栅和法拉第旋光镜，啁啾光栅的反射光和法拉第旋光镜的反射光再经光耦合器，输入到光电转换模块,标识啁啾光栅的空间点位置的反射波长和法拉第旋光镜的反射波长在光电转换模块中发生外差干涉，输出的拍频信号由数据采集模块采集，与扫频光源时间同步扫描采样的不同频率拍频信号定位啁啾光栅的相应的空间点；结合受力状态下的每层受力的梯度和等高线变化进行数值计算，推演出受力的大小和方向，实现空间三维触觉力的测量与分析。
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