CN111360837A - 基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态感知装置、方法 - Google Patents

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CN111360837A CN202010320486.2A CN202010320486A CN111360837A CN 111360837 A CN111360837 A CN 111360837A CN 202010320486 A CN202010320486 A CN 202010320486A CN 111360837 A CN111360837 A CN 111360837A
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Abstract

本发明提供了一种基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，包括：光纤带中的多芯光纤的一端分别通过对应的扇入扇出模块连接至对应的环形器，并通过环形器分别连接至5N选1开关A和5N选1开关B；5N选1开关A和5N选1开关B分别连接至布里渊信号解调仪；布里渊信号解调仪与数据处理平台连接；光纤带中的多芯光纤的另一端末端分别设置有多芯光纤布拉格光栅。同时提供了一种基于光纤带的机器人机械臂及其感知方法。本发明利用多芯光纤带的结构，消除了温度对传感信息的影响，提高了精度。同时，本发明无需借助摄像头，没有传统方案借助摄像头导致的死角问题。以上优势将助力人机协作的进一步发展。

Description

基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态感知装置、方法
技术领域
本发明涉及光纤布里渊传感和机器人机械臂感知技术，特别是一种基于多芯光纤带的机器人机械臂及其矢量状态柔性感知装置和感知方法，是一种机器人机械臂应变和空间状态感知技术。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，人们开始期待能在一定程度上实现人机协作，这必然导致人与机器人的距离越过了安全距离，使得人的风险增大。人机协作变成现实的前提便是，解决协作过程中人的安全问题。
传统的解决方案是，通过摄像头捕捉机器人机械臂的动作，在机械臂越过安全距离前，通过算法控制机械臂减速。然而这类问题不能解决摄像头死角的情况。
经过检索现有技术发现：
1、2009年，在机器人与仿生技术国际学会(IEEE International Conference onRobotics and Biomimetics)发表的文章《Using motion capture data to regenerateoperator’s motions in a simulator in real time》提到，使用摄像头，借助事先标记在操作者身上的色标，可以实时监控操作者和机械臂的安全。
2、2008年，在第41届制造系统CIRP会议上，《Multimedia based AssemblySupporting System for Cell Production》使用安全光幕，将操作者与机械臂隔离，一旦二者中任意一个越过操作者，都将触发防护措施。
上述现有技术仍然存在摄像头死角、机械臂活动范围固定、精度不高的问题。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提出了一种基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态柔性感知装置和感知方法，利用多芯光纤组成的光纤带柔性感知机械臂的空间状态和应变，将光纤带以一种特殊方式缠绕在机械臂表面。本发明提供的机械臂及其感知装置和感知方法，能够调节布里渊时域解调仪的探测光的宽度，实现对机械臂空间状态的快速定位与精细定位；利用多芯光纤的内部结构，消除温度对感知量的影响；利用光纤带及其布里渊频移来获取应变矢量信息，通过对机械臂进行三维重构，获取其空间状态，并确定触碰状态；利用光纤带感知应变，对环境要求低，不存在死角问题；通过应变和空间结构的监测，为多个机械臂协同工作提供了可能，同时提高了人机协作时操作人员的安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，包括：
-由5根多芯光纤组成的光纤带，所述多芯光纤同一包层中包含N个纤芯；
-5个扇入扇出模块；
-5N个环形器；
-多芯光纤布拉格光栅；
-5N选1开关A和5N选1开关B；
-布里渊信号解调仪；
-数据处理平台；
其中：
所述光纤带中的多芯光纤的一端分别通过对应的扇入扇出模块连接至对应的环形器，并通过环形器分别连接至5N选1开关A和5N选1开关B；
所述5N选1开关A和5N选1开关B分别连接至布里渊信号解调仪；
所述布里渊信号解调仪与数据处理平台连接；
所述光纤带中的多芯光纤的另一端末端分别设置有多芯光纤布拉格光栅。
优选地，在一个周期内，所述布里渊信号解调仪将输出的波长为λ1的探测光和波长为λ2的连续光输入至环形器的第一端口，并通过环形器的第二端口输出至通过5N选1开关A选择的多芯光纤；在同一周期内，通过5N选1开关B选择将对应多芯光纤上的含有布里渊散射信号的波长为λ2的散射信号通过环形器的第三端口输入至布里渊信号解调仪中；所述数据处理平台用于对布里渊信号解调仪传来的数据进行收集与处理，重构机械臂的空间状态。
优选地，所述多芯光纤布拉格光栅的中心波长为λ2。
优选地，5个扇入扇出模块将5根多芯光纤分别分成五组单芯光纤组，每一组所述单芯光纤组均包含有N根单芯光纤。
优选地，所述N≥3，N根纤芯在多芯光纤的横截面内呈中心对称分布。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于光纤带的机器人机械臂，包括机械臂本体以及设置于机械臂本体上的上述任一项所述的矢量状态感知装置；其中：
所述矢量状态感知装置的光纤带中的多芯光纤紧密缠绕于机械臂本体上，并在肘关节、手腕关节以及各指关节处穿进机械臂本体内部，并在离开关节后从机械臂本体中穿出。
优选地，在机械臂本体的手臂部分，所述多芯光纤以光纤带的形式缠绕；在机械臂本体的手指部分，所述多芯光纤直接缠绕。
根据本发明的第三个方面，提供了一种上述基于光纤带的机器人机械臂的矢量状态感知方法，包括：
S1，将机械臂本体的肩关节所在位置设为多芯光纤的初始位置P0，即全局坐标的原点(0，0，0)；
S2，设第j根纤芯的布里渊频移变化量ΔVBj与第j根纤芯的总应变εt，j之间的关系为：
ΔVBj＝α·VB·εt，j，j＝1，2，……，N
其中，α是弯曲应变的响应系数；第j根纤芯的总应变εt，j是温度、拉伸和弯曲因素引起的应变之和；VB是初始布里渊频移，表示为：
Figure BDA0002461203620000031
其中，neff，j是第j根纤芯的有效折射率；Va是多芯光纤中的声速；λ1是探测光的波长；第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变εj与第j根纤芯的总应变εt，j的关系为：
εj＝εt，j-εt，1，j＝1，2，……，N
对多芯光纤的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，w为多芯光纤轴向方向，外围的N-1根纤芯的局部曲率矢量和ρapp为：
Figure BDA0002461203620000041
其中，dj是第j根纤芯到多芯光纤中心的距离；θj是第j根纤芯与多芯光纤中心连线与u轴正方向的夹角；
Figure BDA0002461203620000042
和
Figure BDA0002461203620000043
是u轴和v轴的单位矢量；
外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρapp的大小|ρapp|为：
Figure BDA0002461203620000044
从而得到多芯光纤的应变曲率ρ和应变方向θb为：
Figure BDA0002461203620000045
其中，多芯光纤的应变曲率ρ与多芯光纤的弯曲半径r的关系为：
Figure BDA0002461203620000046
S3，基于S2，得到每个探测点Pi的应变方向θbi，对应变方向θbi进行函数拟合：
θb(s)＝FIT{θb0，θb1，......，θbM}
其中，M是一根纤芯中探测点的总数；
则每个探测点Pi的扭曲量κi为：
Figure BDA0002461203620000047
令
Figure BDA0002461203620000048
再为多芯光纤建立局部坐标系(T，N，B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量；T、N、B的初始值和相对关系为：
Figure BDA0002461203620000049
B0＝T0×N0
在全局坐标系(x，y，z)中，多芯光纤第i个探测点的坐标Pi为：
Figure BDA0002461203620000051
其中，多芯光纤第i个探测点在局部坐标系(T，N，B)的位置为：
Figure BDA0002461203620000052
则，对每个探测点Pi的全局坐标进行拟合，有：
R(s)＝FIT{P1，P2，......，PM}
通过上述步骤，获得光纤带中五根多芯光纤的路径函数Ri(s)，i＝1，2，......，5，即为机械臂本体的空间状态；其中，R是三维向量，每个分量代表光纤在三维空间坐标中一个轴上的坐标变化。
优选地，所述方法还包括：
S4，根据空间状态，判断与机械臂本体产生接触或碰撞的具体位置，包括：
S41，根据S3获得的路径函数Ri(s)，i＝1，2，......，5，结合初始点P。，可视化的在三维空间坐标中构造出机械臂的轮廓图，重构机械臂空间状态。
S42，建立光纤位置与机械臂位置的追溯关系；
S43，实时监控布里渊信号解调仪的解调信息，机械臂本体发生接触或触碰，将导致该点应变发生剧烈变化；当某点应变超过阈值时，获得该点的光纤位置，利用光纤与机械臂位置的追溯关系，即可追溯机械臂发生碰撞的具体位置。
优选地，所述S42中，光纤位置与机械臂位置追溯关系的建立方法为：在机械臂指定位置施加外加应变，观测布里渊信号解调仪解调信息，发生突变的位置所对应的光纤位置与原机械臂指定位置建立映射关系，称作定标；对若干位置进行定标，建立光纤与机械臂位置的追溯关系。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态感知装置、方法，能够调节布里渊信号解调仪的探测光的宽度，实现对机械臂空间状态的快速重构与精准重构；
2、本发明提供的基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态感知装置、方法，利用多芯光纤的多芯对称结构消除了温度对空间感知的影响；
3、本发明提供的基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态感知装置、方法，通过利用布里渊频移获取应变信息，进而对机械臂空间状态进行三维重构，对环境的要求降低，无死角问题，可靠性提高；
4、本发明提供的基于光纤带的机器人机械臂及其矢量状态感知装置、方法，依靠安装在机械臂上的多芯光纤感知是否触碰其他的人或物，不仅解决了人机协作中人的安全问题，同时无感知死角，对环境的要求下降，可靠性提高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一实施例中所提供的基于由5根七芯光纤组成的光纤带的机器人机械臂中光纤带的缠绕方法示意图；
图2是本发明一实施例中所提供的基于由5根七芯光纤组成的光纤带的机器人机械臂矢量状态柔性感知装置结构示意图；其中，为了突出重点，光纤带的缠绕方式用五根从指尖到肩膀的多芯光纤示意；
图3是本发明一实施例中所提供的5根七芯光纤组成的光纤带结构示意图图；
图4是本发明一实施例中所提供的七芯光纤的局部坐标系(u，v，w)示意图；其中，(a)为七芯光纤的横截面示意图；(b)为七芯光纤的侧视图；
图5是本发明一实施例中所提供的基于探测点Pi的局部三维坐标(x，y，z)及弗莱纳公式中的向量示意图。
图中，1为光纤带，2为机械臂本体，3为光纤带在机械臂本体上的穿入及穿出位置，4为七芯光纤，5为5N选1开关B，6为5N选1开关A，7为布里渊信号解调仪，8为数据处理平台，9为扇入扇出模块，10为多芯光纤布拉格光栅，11为环形器，11-1为第一端口，11-2为第二端口，11-3为第三端口，12为单芯光纤，13-1为单芯光纤小指组，13-2为单芯光纤无名指组，13-3为单芯光纤中指组，13-4为单芯光纤食指组，13-5为单芯光纤拇指组，14为纤芯。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于多芯光纤带的机器人机械臂矢量状态柔性感知装置，包括：由5根多芯光纤组成的光纤带、5个扇入扇出模块、5N个环形器、多芯光纤布拉格光栅、2个5N选1开关、布里渊信号解调仪和数据处理平台。其中：N是多芯光纤的纤芯个数。5个扇入扇出模块将5根多芯光纤分别分成五组单芯光纤组，每组有N根单芯光纤，分别命名为单芯光纤小指组、单芯光纤无名指组、单芯光纤中指组、单芯光纤食指组、单芯光纤拇指组。布里渊信号解调仪有N个输出端口，N个输入端口。利用一个5N选1开关选中一组单芯光纤组，布里渊信号解调仪的第i个子输出端口将波长为λ1的探测光和波长为λ2的连续光经所选单芯光纤组的第i根单芯光纤进入与该光纤相连的环形器的第一端口，的环形器的第二端口与该组光纤对应的扇入扇出模块的第i个扇入端口相连，该扇入扇出模块的输出端口再与光纤组对应多芯光纤相连。多芯光纤的末端部署了中心波长为λ2的多芯光纤布拉格光栅。所有的环形器的第三端口，用单芯光纤接出，也可分别组成五组单芯光纤组，由另一个5N选1开关选中其中一组单芯光纤组，输入布里渊信号解调仪中。数据处理平台与布里渊信号解调仪相连，处理从布里渊信号解调仪传来的数据，重构机械臂的空间状态。
基于本发明实施例所提供的矢量状态感知装置，本发明实施例同时提供了一种基于光纤带的机器人机械臂，基于光纤带的机器人机械臂包括机械臂本体以及设置于机械臂本体上的上述任一项的矢量状态感知装置；其中：
矢量状态感知装置的光纤带中的多芯光纤紧密缠绕于机械臂本体上，并在肘关节、手腕关节以及各指关节处穿进机械臂本体内部，并在离开关节后从机械臂本体中穿出。
作为一优选实施例，在机械臂本体的手臂部分，多芯光纤以光纤带的形式缠绕；在机械臂本体的手指部分，多芯光纤直接缠绕。
基于本发明实施例所提供的基于光纤带的机器人机械臂，本发明实施例同时提供了一种基于光纤带的机器人机械臂的矢量状态感知方法，包括：
S1，将机械臂本体的肩关节所在位置设为多芯光纤的初始位置P0，即全局坐标的原点(0，0，0)；
S2，设第j根纤芯的布里渊频移变化量ΔVBj与第j根纤芯的总应变εt，j之间的关系为：
ΔVBj＝α·VB·εt，j，j＝1，2，……，N
其中，α是弯曲应变的响应系数；第j根纤芯的总应变εt，j是温度、拉伸和弯曲因素引起的应变之和；VB是初始布里渊频移，表示为：
Figure BDA0002461203620000081
其中，neff，j是第j根纤芯的有效折射率；Va是多芯光纤中的声速；λ1是探测光的波长；第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变εj与第j根纤芯的总应变εt，j的关系为：
εj＝εt，j-εt，1，j＝1，2，……，N
对多芯光纤的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，w为多芯光纤轴向方向，外围的N-1根纤芯的局部曲率矢量和ρapp为：
Figure BDA0002461203620000082
其中，dj是第j根纤芯到多芯光纤中心的距离；θj是第j根纤芯与多芯光纤中心连线与u轴正方向的夹角。
Figure BDA0002461203620000083
和
Figure BDA0002461203620000084
是u轴和v轴的单位矢量；
外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρapp的大小|ρapp|为：
Figure BDA0002461203620000085
从而得到多芯光纤的应变曲率ρ和应变方向θb为：
Figure BDA0002461203620000086
其中，多芯光纤的应变曲率ρ与多芯光纤的弯曲半径r的关系为：
Figure BDA0002461203620000091
S3，基于S2，得到每个探测点Pi的应变方向θbi，对应变方向θbi进行函数拟合：
θb(s)＝FIT{θb0，θb1，......，θbM}
其中，M是一根纤芯中探测点的总数；
则每个探测点Pi的扭曲量κi为：
Figure BDA0002461203620000092
令
Figure BDA0002461203620000093
再为多芯光纤建立局部坐标系(T，N，B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量；T、N、B的初始值和相对关系为：
Figure BDA0002461203620000094
B0＝T0×N0
在全局坐标系(x，y，z)中，多芯光纤第i个探测点的坐标Pi为：
Figure BDA0002461203620000095
其中，多芯光纤第i个探测点在局部坐标系(T，N，B)的位置为：
Figure BDA0002461203620000096
则，对每个探测点Pi的全局坐标进行拟合，有：
R(s)＝FIT{P1，P2，......，PM}
通过上述步骤，获得光纤带中五根多芯光纤的路径函数Ri(s)，i＝1，2，......，5，即为机械臂的空间状态。其中，R是三维向量，每个分量代表光纤在三维空间坐标中一个轴上的坐标变化。
作为一优选实施例，基于光纤带的机器人机械臂的矢量状态感知方法还包括：
S4，根据空间状态，判断与机械臂本体产生接触或碰撞的具体位置；具体地：
S41，根据S3获得的路径函数Ri(s)，i＝1，2，......，5，结合初始点P0，可视化的在三维空间坐标中构造出机械臂的轮廓图，重构机械臂空间状态。
S42，建立光纤位置与机械臂位置的追溯关系；
S43，实时监控布里渊信号解调仪的解调信息，机械臂本体发生接触或触碰，将导致该点应变发生剧烈变化；当某点应变超过阈值时，获得该点的光纤位置，利用光纤与机械臂位置的追溯关系，即可追溯机械臂发生碰撞的具体位置。
作为一优选实施例，S42中，光纤位置与机械臂位置追溯关系的建立方法为：在机械臂指定位置施加外加应变，观测布里渊信号解调仪解调信息，发生突变的位置所对应的光纤位置与原机械臂指定位置建立映射关系，称作定标；对若干位置进行定标，建立光纤与机械臂位置的追溯关系。
下面结合附图对本发明实施例所提供的技术方案进一步详细描述。
请同时参阅图1至图5。图1至图5给出了机器人机械臂应变和空间矢量状态感知的应用示意图。其中，图1示出了光纤带的缠绕方法，这种缠绕方式可以确定机械臂发生碰撞的位置。图2示出了矢量状态感知装置结构示意图，基于布里渊频移，可确定沿七芯光纤的应变，进而对七芯光纤进行三维空间重构，最终确定机械臂的空间状态，再根据空间状态判断是否发生碰撞以及碰撞位置。图3示出了光纤带横截面结构示意图，其由五根七芯光纤排列构成。
具体地：
图1是基于由5根七芯光纤4组成的光纤带1的机器人机械臂中光纤带1的缠绕方法。手臂和手掌处，使用光纤带1，以紧密缠绕的方式缠绕于表面。手指处，使用七芯光纤4，以紧密缠绕的方式缠绕于表面。关节处，从机械臂内部直线穿过。在肩膀处，光纤带1会拆分成5根七芯光纤4分别连到扇入扇出模块9。在靠近指根处，光纤带1会拆分成5根七芯光纤4。
图2是基于由5根七芯光纤4组成的光纤带1的机器人机械臂2的应变和空间矢量状态感知装置的结构示意图。图1所示的缠绕方式没有在图2中表现，光纤带1的缠绕方式用五根从指尖到肩膀的光纤简单示意。5个扇入扇出模块9将5根七芯光纤4分别分成五组单芯光纤组，每组有7根单芯光纤12，分别命名为单芯光纤小指组13-1、单芯光纤无名指组13-2、单芯光纤中指组13-3、单芯光纤食指组13-4、单芯光纤拇指组13-5。利用5N(表示5×N)选1开关A6选中一组单芯光纤组，布里渊信号解调仪7的第i个子输出端口将波长为λ1的探测光和波长为λ2的连续光经所选单芯光纤组的第i根单芯光纤进入与该光纤相连的环形器的第一端口，的环形器的第二端口与该组光纤对应的扇入扇出模块9的第i个扇入端口相连，该扇入扇出模块的输出端口再与光纤组对应多芯光纤相连。多芯光纤的末端部署了中心波长为λ2的多芯光纤布拉格光栅10。所有的环形器的第三端口也可分别组成五组单芯光纤组，由5N选1开关B5选中其中一组单芯光纤组，布里渊信号解调仪7中。
图3示出了由多芯光纤组成的光纤带结构示意图。光纤带由5根七芯光纤构成。
图4示出了七芯光纤的局部坐标系(u，v，w)示意图。七芯光纤4是同一包层中具有七根的纤芯14，其中，纤芯14的直径为8μm，包层的直径为150μm，相邻纤芯14之间的距离是41.5μm。对七芯光纤4中的纤芯14进行编号，如图4所示。其中纤芯14Core1位于包层的圆心处，即中性轴上，外层六根纤芯14以正六边形的形状排列，分布位于正六边形的各个顶点，具有空间对称性。正六边形的空间排列结构具有周期性和对称性等特点，相邻顶点的角度是60°。七芯光纤4的侧面图上，至少具有六个等边三角形和六条对称轴。
下面使用布里渊频移，基于由七芯光纤组成光纤带的机器人机械臂应变和空间矢量状态感知方法的具体步骤如下：
1)初始化安装与定位
五根多芯光纤组成光纤带缠绕在机械臂表面，在关节处穿进机械臂中，离开关节后从机械臂中穿出，继续在机械臂表面缠绕。五根手指指尖处以单根的多芯光纤缠绕，且在指尖处分别放置了多芯光纤布拉格光栅。同时，光纤带在肩关节处被拆成五根多芯光纤，分别与五个扇入扇出模块相连。此外，将肩关节所在位置，即多芯光纤的初始位置P0，设为全局坐标的原点(0，0，0)。
2)计算多芯光纤的应变矢量
第j根纤芯的布里渊频移变化量ΔVBj与第j根纤芯的总应变εt，j之间的关系为：
ΔVBj＝α·VB·εt，j，j＝1，2，……，7
其中，α是弯曲应变的响应系数；εt，j是第j根纤芯的总应变，是温度、拉伸和弯曲等因素引起的应变之和；VB是初始布里渊频移，表示为：
Figure BDA0002461203620000121
其中，neff，j是第j根纤芯的有效折射率；Va是光纤中的声速；λ1是探测光的波长。第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变εj与第j根纤芯的总应变εt，j的关系为：
εj＝εt，j-εt，1，j＝1，2，……，7
对7芯光纤的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，如图4所示，w为7芯光纤轴向方向，外围的6根纤芯的局部曲率矢量和ρapp为：
Figure BDA0002461203620000122
其中，dj是第j根纤芯到多芯光纤中心的距离；θj是第j根纤芯与多芯光纤中心连线与u轴正方向的夹角。
Figure BDA0002461203620000123
和
Figure BDA0002461203620000124
是u轴和v轴的单位矢量。
外围的6根纤芯局部曲率矢量和ρapp的大小|ρapp|为：
Figure BDA0002461203620000125
从而可以得到多芯光纤的应变曲率ρ和应变方向θb为：
Figure BDA0002461203620000126
其中，多芯光纤的应变曲率ρ与多芯光纤的弯曲半径r的关系为：
Figure BDA0002461203620000127
3)机械臂的空间状态三维重构
从第二步中，可以知道每个探测点Pi的应变方向θbi，对应变方向θbi进行函数拟合：
θb(s)＝FIT{θb0，θb1，......，θbM}
其中，M是一根纤芯中探测点的总数。
则每个探测点Pi的扭曲量κi为：
Figure BDA0002461203620000131
令
Figure BDA0002461203620000132
再为多芯光纤建立局部坐标系(T，N，B)，如图5所示，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量。T、N、B的初始值和相对关系为：
Figure BDA0002461203620000133
B0＝T0×N0
在全局坐标系(x，y，z)中，多芯光纤第i个探测点的坐标Pi为：
Figure BDA0002461203620000134
其中，多芯光纤第i个探测点在局部坐标系(T，N，B)的位置为：
Figure BDA0002461203620000135
则，对每个探测点Pi的全局坐标进行拟合，有：
R(s)＝FIT{P1，P2，......，PM}
依据上述方法，可获得光缆中五根光纤的路径函数Ri(s)，i＝1，2，......，5，即为机械臂的空间状态。
4)根据空间状态，可判断与机械臂产生接触或碰撞的具体位置。
本发明上述实施例所提供的基于多芯光纤带的机器人机械臂及其矢量状态柔性感知装置和感知方法，以七芯光纤组成光纤带为例对技术方案进行了详细描述，需要说明的是，本发明技术方案的实施并不局限于七芯光纤，任何能够实现本发明技术方案的多芯光纤，均可以采用。
本发明上述实施例所提供的基于多芯光纤带的机器人机械臂及其矢量状态柔性感知装置和感知方法，使用了多芯光纤和布里渊信号解调仪，多芯光纤将布里渊频移传递给信号解调仪，通过信号处理平台获取机械臂矢量信息，进行机械臂的三维重构；利用多芯光纤带的结构，消除了温度对传感信息的影响，提高了精度；同时，无需借助摄像头，没有传统方案借助摄像头导致的死角问题。以上优势将助力人机协作的进一步发展。
本发明上述实施例所提供的基于多芯光纤带的机器人机械臂及其矢量状态柔性感知装置和感知方法，可以调节布里渊信号解调仪的探测光的宽度，实现对机械臂空间状态的快速重构与精准重构；利用多芯光纤的多芯对称结构消除了温度对空间感知的影响；通过利用布里渊频移获取应变信息，进而对机械臂空间状态进行三维重构，对环境的要求降低，无死角问题，可靠性提高；
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，其特征在于，包括：
-由5根多芯光纤组成的光纤带，所述多芯光纤同一包层中包含N个纤芯；
-5个扇入扇出模块；
-5N个环形器；
-多芯光纤布拉格光栅；
-5N选1开关A和5N选1开关B；
-布里渊信号解调仪；
-数据处理平台；
其中：
所述光纤带中的多芯光纤的一端分别通过对应的扇入扇出模块连接至对应的环形器，并通过环形器分别连接至5N选1开关A和5N选1开关B；
所述5N选1开关A和5N选1开关B分别连接至布里渊信号解调仪；
所述布里渊信号解调仪与数据处理平台连接；
所述光纤带中的多芯光纤的另一端末端分别设置有多芯光纤布拉格光栅。
2.根据权利要求1所述的基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，其特征在于，在一个周期内，所述布里渊信号解调仪将输出的波长为λ1的探测光和波长为λ2的连续光输入至环形器的第一端口，并通过环形器的第二端口输出至通过5N选1开关A选择的多芯光纤；在同一周期内，通过5N选1开关B选择将对应多芯光纤上的含有布里渊散射信号的波长为λ2的散射信号通过环形器的第三端口输入至布里渊信号解调仪中；所述数据处理平台用于对布里渊信号解调仪传来的数据进行收集与处理，重构机械臂的空间状态。
3.根据权利要求1所述的基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，其特征在于，所述多芯光纤布拉格光栅的中心波长为λ2。
4.根据权利要求1所述的基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，其特征在于，5个扇入扇出模块将5根多芯光纤分别分成五组单芯光纤组，每一组所述单芯光纤组均包含有N根单芯光纤。
5.根据权利要求1所述的基于光纤带的机器人机械臂矢量状态感知装置，其特征在于，所述N≥3，N根纤芯在多芯光纤的横截面内呈中心对称分布。
6.一种基于光纤带的机器人机械臂，其特征在于，包括机械臂本体以及设置于机械臂本体上的权利要求1至5中任一项所述的矢量状态感知装置；其中：
所述矢量状态感知装置的光纤带中的多芯光纤紧密缠绕于机械臂本体上，并在肘关节、手腕关节以及各指关节处穿进机械臂本体内部，并在离开关节后从机械臂本体中穿出。
7.根据权利要求6所述的基于光纤带的机器人机械臂，其特征在于，在机械臂本体的手臂部分，所述多芯光纤以光纤带的形式缠绕；在机械臂本体的手指部分，所述多芯光纤直接缠绕。
8.一种权利要求6或7所述的基于光纤带的机器人机械臂的矢量状态感知方法，其特征在于，包括：
S1，将机械臂本体的肩关节所在位置设为多芯光纤的初始位置P0，即全局坐标的原点(0，0，0)；
S2，设第j根纤芯的布里渊频移变化量ΔVBj与第j根纤芯的总应变εt,j之间的关系为：
ΔVBj＝α·VB·t,j,j＝1,2,……，N
其中，α是弯曲应变的响应系数；第j根纤芯的总应变εt,j是温度、拉伸和弯曲因素引起的应变之和；VB是初始布里渊频移，表示为：
Figure FDA0002461203610000021
其中，neff,j是第j根纤芯的有效折射率；Va是多芯光纤中的声速；λ1是探测光的波长；第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变εj与第j根纤芯的总应变εt,j的关系为：
εj＝εt,j-εt,1，j＝1，2，……，N
对多芯光纤的横截面建立局部坐标系(u,v,w)，w为多芯光纤轴向方向，外围的N-1根纤芯的局部曲率矢量和ρapp为：
Figure FDA0002461203610000022
其中，dj是第j根纤芯到多芯光纤中心的距离；θj是第j根纤芯与多芯光纤中心连线与u轴正方向的夹角；
Figure FDA0002461203610000031
和
Figure FDA0002461203610000032
是u轴和v轴的单位矢量；
外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρapp的大小|app|为：
Figure FDA0002461203610000033
从而得到多芯光纤的应变曲率ρ和应变方向θb为：
Figure FDA0002461203610000034
其中，多芯光纤的应变曲率ρ与多芯光纤的弯曲半径r的关系为：
Figure FDA0002461203610000035
S3，基于S2，得到每个探测点Pi的应变方向θbi，对应变方向θbi进行函数拟合：
θb(s)＝FIT{θb0,θb1,……,θbM}
其中，M是一根纤芯中探测点的总数；
则每个探测点Pi的扭曲量κi为：
Figure FDA0002461203610000036
令
Figure FDA0002461203610000037
再为多芯光纤建立局部坐标系(T,N,B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量；T、N、B的初始值和相对关系为：
Figure FDA0002461203610000038
在全局坐标系(x，y，z)中，多芯光纤第i个探测点的坐标Pi为：
Figure FDA0002461203610000039
其中，多芯光纤第i个探测点在局部坐标系(T,N,B)的位置为:
Figure FDA0002461203610000041
则，对每个探测点Pi的全局坐标进行拟合，有：
R(s)＝FIT{P1,P2,……，PM}
通过上述步骤，获得光纤带中五根多芯光纤的路径函数Ri(s),i＝1,2,……，5，即为机械臂本体的空间状态；其中，R是三维向量，每个分量代表光纤在三维空间坐标中一个轴上的坐标变化。
9.根据权利要求8所述的基于光纤带的机器人机械臂的矢量状态感知方法，其特征在于，所述方法还包括：
S4，根据空间状态，判断与机械臂本体产生接触或碰撞的具体位置，包括：
S41，根据S3获得的路径函数Ri(s),i＝1,2,……，5，结合初始点P0，可视化的在三维空间坐标中构造出机械臂的轮廓图，重构机械臂空间状态。
S42，建立光纤位置与机械臂位置的追溯关系；
S43，实时监控布里渊信号解调仪的解调信息，机械臂本体发生接触或触碰，将导致该点应变发生剧烈变化；当某点应变超过阈值时，获得该点的光纤位置，利用光纤与机械臂位置的追溯关系，即可追溯机械臂发生碰撞的具体位置。
10.根据权利要求9所述的基于光纤带的机器人机械臂的矢量状态感知方法，其特征在于，所述S42中，光纤位置与机械臂位置追溯关系的建立方法为：在机械臂指定位置施加外加应变，观测布里渊信号解调仪解调信息，发生突变的位置所对应的光纤位置与原机械臂指定位置建立映射关系，称作定标；对若干位置进行定标，建立光纤与机械臂位置的追溯关系。
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