CN110193825A - 一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器 - Google Patents

一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器 Download PDF

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Abstract

本发明属于手部康复和软体机器人相关技术领域，其公开了一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器，该软体致动器为表面具有波纹结构的类圆柱体，其包括硅胶壳体、两个腔体机构及光纤弯曲传感器，所述腔体机构及所述光纤弯曲传感器设置在所述硅胶壳体内；所述腔体机构呈半圆柱状，其包括硅胶腔室，所述硅胶腔室远离所述光纤弯曲传感器的表面上形成有波纹褶皱，且波纹褶皱的最大处螺栓缠绕有凯夫拉纤维线；所述光纤弯曲传感器包括PMMA塑料光纤，所述PMMA塑料光纤的表面受到压力时，其产生的轴向变形大于径向变形，如此使得所述光纤弯曲传感器在进行弯曲测量时不受压力的影响。本发明不会受到压力影响，提高了测量准确性，灵活性较好。

Description

一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器
技术领域
本发明属于手部康复和软体机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器。
背景技术
如今社会人口老龄化加重，由于脑卒中等疾病引起的偏瘫人数越来越庞大，同时，由于生产事故、交通事故等意外造成的手部运动功能受损的人数也逐年增加。这些患者往往因肢体运动功能障碍而生活不能自理，给家庭和社会都带来了不小的压力。机器人辅助康复训练能够节约大量的人力物力，并能够对患者康复进度进行量化的评估，根据患者的康复状况循序渐进的进行训练。
在手部康复训练中，市面上有刚性结构外骨骼机器人和柔性结构外骨骼机器人，刚性结构外骨骼机器人有传统的连杆、铰链、滑块等结构组成，柔性结构外骨骼机器人则由柔性流体致动器构成，如硅胶制成的气动致动器。相比于刚性结构外骨骼机器人，柔性结构外骨骼机器人具有更高的安全性和舒适性，由于其自身结构的柔性特点，当发生碰撞或者系统干扰从而产生突变的意外载荷时，柔性的结构能够对意外载荷进行缓冲，不会对患者造成伤害；而且当柔性结构外骨骼机器人对患者施加辅助力时，柔性的结构能够贴合患者的手部，以较大的作用面积与患者手部接触，使得佩戴起来具有更好的舒适性。
虽然柔性结构的软体致动器在手部运动康复上有非常好的应用前景，但是目前对于软体致动器的研究却不太成熟，其表现在没有合适的传感器可以对软体致动器的弯曲角度进行较好的测量，且市面上的薄膜式柔性弯曲传感器虽然能对弯曲进行测量，但由于表面压力对测量的影响十分严重，无法很好地将其集成于软体致动器中。相应地，本领域存在着发展一种准确性较好的基于光纤弯曲传感器的软体致动器的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其基于现有软体致动器的工作特点，研究及设计了一种准确性较好的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，以提高弯曲测量的准确性。所述软体致动器可以实现康复训练时运动状态的反馈，其采用了一种基于PMMA光纤为导光介质的光纤弯曲传感器。其中PMMA光纤具有一定的硬度，在受到表面压力时，不会产生明显的径向变形，而在轴向是容易弯曲的，因此该光纤弯曲传感器对弯曲进行测量时，其不会受到径向压力影响，提高了测量准确性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器，该软体致动器为表面具有波纹结构的类圆柱体，其包括硅胶壳体、两个腔体机构及光纤弯曲传感器，所述腔体机构及所述光纤弯曲传感器设置在所述硅胶壳体内，所述硅胶壳体用于固定所述腔体机构及所述光纤弯曲传感器之间的相对位置；所述光纤弯曲传感器位于两个所述腔体机构之间；
所述腔体机构呈半圆柱状，其包括硅胶腔室，所述硅胶腔室远离所述光纤弯曲传感器的表面上形成有波纹褶皱，且波纹褶皱的最大处螺栓缠绕有凯夫拉纤维线；所述光纤弯曲传感器包括PMMA塑料光纤，所述PMMA塑料光纤的表面受到压力时，其产生的轴向变形大于径向变形，如此使得所述光纤弯曲传感器在进行弯曲测量时不受压力的影响。
进一步地，所述腔体机构还包括玻璃纤维布，所述玻璃纤维布贴在所述硅胶腔室朝向所述光纤弯曲传感器的表面上。
进一步地，所述腔体机构包括进气管，所述进气管连接于所述硅胶腔室的一端，且所述进气管与所述硅胶腔室相连通。
进一步地，所述硅胶腔室是采用无毒的硅胶材料制成的。
进一步地，所述光纤弯曲传感器包括遮光热缩管、光电二极管及LED发射管，所述光电二极管、所述LED发射管及所述PMMA塑料光纤均被包裹在所述遮光热缩管内；所述PMMA塑料光纤的两端分别连接所述LED发射管及所述光电二极管。
进一步地，所述PMMA塑料光纤的表面是经过打磨的，由此破坏所述PMMA塑料光纤的外包层的光密介质，使得光在所述PMMA塑料光纤中传播时不能进行完整的全反射。
进一步地，所述光纤弯曲传感器整体弯曲时，光自所述PMMA塑料光纤中传播所需产生的反射次数增多，每次反射都会产生损耗，使得所述光电二极管的输出电压减小，经过所述光纤弯曲传感器的电压衰减量为：a＝10log10(V0/V)；
式中，V为当前所述光电二极管输出的电压；V0为所述光纤弯曲传感器在自然状态时，该光电二极管的输出电压。
进一步地，所述软体致动器的电压衰减量a和软体致动器的弯曲角度θ的对应关系式为：a＝αθ+β；式中，α和β为常数。
进一步地，所述光纤弯曲传感器包括延长导线，所述延长导线连接于所述光电二极管的引脚，以将所述光电二极管的引脚延伸到所述光纤弯曲传感器的另一端。
进一步地，所述软体致动器包括传感器导线，所述传感器导线的一端连接于所述光纤弯曲传感器，另一端位于所述硅胶壳体外部。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于光纤弯曲传感器的软体致动器主要具有以下有益效果：
1.所述光纤弯曲传感器包括PMMA塑料光纤，PMMA塑料光纤具有一定的硬度，在受到表面压力时，不会产生明显的径向变形，而在轴向是容易弯曲的，因此该光纤弯曲传感器对弯曲进行测量时，其不会受到径向压力影响，提高了测量准确性。
2.该软体致动器为表面具有波纹结构的类圆柱体，在弯曲时具有更低的自身弯曲阻抗，并且波纹褶皱具有更长的伸展长度，能够形成上下壁更大的伸展长度差，产生更大的弯曲角度，使得软体致动器具有更好的弯曲性能和更低的自身弯曲阻抗。
3.所述软体致动器包括两个表面具有波纹褶皱的腔体机构，如此通过两个所述腔体机构的进气管的进气可以实现所述软体致动器的屈曲和伸展两个方向的运动。
4.所述玻璃纤维布贴在所述硅胶腔室朝向所述光纤弯曲传感器的表面上，从而限制所述硅胶腔室在充气时其底部的伸长；同时所述凯夫拉纤维线螺旋缠绕在该波纹褶皱最大处，从而限制了所述硅胶腔室在充气时在径向上的膨胀，由此通过对所述硅胶腔室的运动进行了以上限制，当气体自所述进气管进入所述硅胶腔室时，由于所述硅胶腔室的底部被限制伸长，而褶皱处是容易伸长的，因此可以产生弯曲的运动。
附图说明
图1是本发明提供的基于光纤弯曲传感器的软体致动器的结构示意图；
图2是图1中的基于光纤弯曲传感器的软体致动器的腔体机构的示意图；
图3是图1中的基于光纤弯曲传感器的软体致动器的光纤弯曲传感器的示意图；
图4是图1中的基于光纤弯曲传感器的软体致动器的成型示意图；
图5是图1中的基于光纤弯曲传感器的软体致动器的弯曲角的定义示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：18-软体致动器，19-传感器导线，8-光纤弯曲传感器，1-玻璃纤维布，2-凯夫拉纤维线，3-进气管，4-硅胶腔室，10-LED发射管，12-光电二极管，13-遮光热缩管，15-PMMA塑料光纤，17-延长导线，7-铸造模具。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图4，本发明提供的基于光纤弯曲传感器的软体致动器18，所述软体致动器18用于辅助人手手指伸展和外展，能够辅助脑卒中或者手功能运动障碍患者进行手指的伸展和外展运动。该软体致动器18是采用无毒硅橡胶材料制成的，能够很好与人手相融合，穿戴方便，采用软性材料其能够改变自身形态来适应患者运动的环境，不会对患者手部造成过大的冲击载荷，同时，该软体致动器18良好的柔顺性不会对患者造成拉伤等二次伤害。
所述软体致动器18包括硅胶壳体、收容在所述硅胶壳体内的两个腔体机构及光纤弯曲传感器8、以及传感器导线19，两个所述腔体机构相对间隔设置，所述光纤弯曲传感器8位于两个所述腔体机构之间。所述传感器导线19的一端连接于所述光纤弯曲传感器8，另一端位于硅胶壳体外部。本实施方式中，所述硅胶壳体基本呈圆柱状，其外周面上形成有波纹褶皱；所述腔体机构呈半圆柱状。
所述腔体机构包括硅胶腔室4、进气管3、玻璃纤维布1及凯夫拉纤维线2。所述进气管3连接于所述硅胶腔室4的一端，且其与所述硅胶腔室4相连通。所述玻璃纤维布1贴在所述硅胶腔室4朝向所述光纤弯曲传感器8的表面上，从而限制所述硅胶腔室4在充气时其底部的伸长。所述硅胶腔室4是由无毒的硅胶材料制成的，其远离所述光纤弯曲传感器8的表面上形成有波纹褶皱，所述凯夫拉纤维线2螺旋缠绕在该波纹褶皱最大处，从而限制了所述硅胶腔室4充气时在径向上的膨胀，由此通过对所述硅胶腔室4的运动进行了以上限制，当气体自所述进气管3进入所述硅胶腔室4时，由于所述硅胶腔室4的底部被限制伸长，而褶皱处是容易伸长的，因此可以产生弯曲的运动。本实施方式中，所述硅胶腔室4的下端壁是波纹褶皱结构，在弯曲时具有更低的自身弯曲阻抗，并且波纹褶皱具有更长的伸展长度，能够形成上下气壁更大的伸展长度差，产生更大的弯曲角度。
请参阅图3，所述光纤弯曲传感器8是基于光损耗进行工作的。通过人为的对光纤的外层包层进行打磨，破坏光纤外部的光密介质，使得光在光纤中反射传播时产生损耗，当光纤的弯曲量越大时，传播时需要经过的反射次数越多，产生的损耗越多；通过对光纤的弯曲量和光的损耗进行模型建立，以实现通过光损耗对弯曲量的测量。
所述光纤弯曲传感器8包括遮光热缩管13、PMMA塑料光纤15、光电二极管12、LED发射管10及延长导线17，所述PMMA塑料光纤15、所述光电二极管12及所述LED发射管10均被包裹在所述遮光热缩管13内，所述PMMA塑料光纤15的一端连接于所述光电二极管12，另一端连接于所述LED发射管10。所述延长导线17连接于所述光电二极管管12的引脚，如此以将所述光电二极管12的引脚延伸到所述光纤弯曲传感器8的另一端，为所述软体致动器18中的传感器的连接提供便利。
所述光纤弯曲传感器8是基于对光损耗进行检测来实现弯曲的测量，其中所述LED发射管10发射光，该光从所述PMMA塑料光纤15内进行无数次反射传播，最后该光被所述光电二极管12所接受，且所述光电二极管12输出一定的电压。本实施方式中，所述PMMA塑料光纤15是经过特殊处理的，具体为其表面通过打磨来破坏所述PMMA塑料光纤15外包层的光密介质，从而使得光在所述PMMA塑料光纤15中传播时不能进行完整的全反射，有一部分光能被耗散，即所述PMMA塑料光纤15被人为设计成传播中产生损耗。所述遮光热缩管13用于吸收自所述PMMA塑料光纤15耗散的光能和阻碍外部的光干扰。
请参阅图5，当所述光纤弯曲传感器8整体弯曲产生一定角度时，即所述PMMA塑料光纤15表现为曲率增大，此时，光自所述PMMA塑料光纤15中传播所需要产生的反射次数增多，每次反射都会产生一定损耗，表现为所述光电二极管12的输出电压减小。在对所述光纤弯曲传感器8进行标定试验时，设所述光纤弯曲传感器8在自然状态下(即弯曲角度为0°)时，该光电二极管12输出的电压为基线电压V0，则经过所述光纤弯曲传感器8的电压的衰减量定义为：
a＝10log10(V0/V) (1)
其中V为当前所述光电二极管12输出的电压。通过所述光纤弯曲传感器8的标定试验，可以得到电压衰减量a和光纤弯曲角度θ的对应关系式：
a＝αθ+β (2)
式中，α和β为常数。
在对所述软体致动器18的弯曲角进行定义时，其中x0、y0为软体致动器固定端的坐标轴，x1、y1为软体致动器末端的坐标轴，坐标轴旋转的角度θ被定义为该软体致动器18的弯曲角度。
成型时，使用3D打印加工的铸造模具7将所述硅胶腔室4和所述光纤弯曲传感器8进行装夹，并导入未固化的液态硅胶，待硅胶固化形成硅胶壳体，完成该软体致动器18集成该光纤弯曲传感器8。由此，该软体致动器18外形大致为一个上下部分带有波纹褶皱的类圆柱体，该硅胶壳体以将所述凯夫拉纤维线2覆盖。通过两个所述腔体机构的进气管3的进气可以实现所述软体致动器18的屈曲和伸展两个方向的运动，且所述光纤弯曲传感器8可以实时反馈弯曲角度。
本发明提供的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，该软体致动器包括两个腔体机构，可以实现康复运动的屈曲和伸展两种运动，并将腔壁改进成为波纹型结构，使得软体致动器具有更好的弯曲性能和更低的自身弯曲阻抗，而且集成了光纤弯曲传感器，避免了压力对弯曲测量的影响，提高了测量准确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：
所述软体致动器(18)为表面具有波纹结构的类圆柱体，其包括硅胶壳体、两个腔体机构及光纤弯曲传感器(8)，所述腔体机构及所述光纤弯曲传感器(8)设置在所述硅胶壳体内，所述硅胶壳体用于固定所述腔体机构及所述光纤弯曲传感器(8)之间的相对位置；所述光纤弯曲传感器(8)位于两个所述腔体机构之间；
所述腔体机构呈半圆柱状，其包括硅胶腔室(4)，所述硅胶腔室(4)远离所述光纤弯曲传感器(8)的表面上形成有波纹褶皱，且波纹褶皱的最大处螺栓缠绕有凯夫拉纤维线(2)；所述光纤弯曲传感器(8)包括PMMA塑料光纤(15)，所述PMMA塑料光纤(15)的表面受到压力时，其产生的轴向变形大于径向变形，如此使得所述光纤弯曲传感器(8)在进行弯曲测量时不受压力的影响。
2.如权利要求1所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述腔体机构还包括玻璃纤维布(1)，所述玻璃纤维布(1)贴在所述硅胶腔室(4)朝向所述光纤弯曲传感器(8)的表面上。
3.如权利要求1所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述腔体机构包括进气管(3)，所述进气管(3)连接于所述硅胶腔室(4)的一端，且所述进气管(3)与所述硅胶腔室(4)相连通。
4.如权利要求1所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述硅胶腔室(4)是采用无毒的硅胶材料制成的。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述光纤弯曲传感器(8)包括遮光热缩管(13)、光电二极管(12)及LED发射管(10)，所述光电二极管(12)、所述LED发射管(10)及所述PMMA塑料光纤(15)均被包裹在所述遮光热缩管(13)内；所述PMMA塑料光纤(15)的两端分别连接所述LED发射管(10)及所述光电二极管(12)。
6.如权利要求5所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述PMMA塑料光纤(15)的表面是经过打磨的，由此破坏所述PMMA塑料光纤(15)的外包层的光密介质，使得光在所述PMMA塑料光纤(15)中传播时不能进行完整的全反射。
7.如权利要求6所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述光纤弯曲传感器(8)整体弯曲时，光自所述PMMA塑料光纤(15)中传播所需产生的反射次数增多，每次反射都会产生损耗，使得所述光电二极管(12)的输出电压减小，经过所述光纤弯曲传感器(8)的电压衰减量为：a＝10log10(V0/V)；
式中，V为当前所述光电二极管(12)输出的电压；V0为所述光纤弯曲传感器(8)在自然状态时，该光电二极管(12)的输出电压。
8.如权利要求7所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述软体致动器(18)的电压衰减量a和软体致动器(18)的弯曲角度θ的对应关系式为：a＝αθ+β；式中，α和β为常数。
9.如权利要求5所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述光纤弯曲传感器(8)包括延长导线(17)，所述延长导线(17)连接于所述光电二极管(12)的引脚，以将所述光电二极管(12)的引脚延伸到所述光纤弯曲传感器(8)的另一端。
10.如权利要求1-4任一项所述的基于光纤弯曲传感器的软体致动器，其特征在于：所述软体致动器(18)包括传感器导线(19)，所述传感器导线(19)的一端连接于所述光纤弯曲传感器(8)，另一端位于所述硅胶壳体外部。
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