CN112168351B - 一种基于fbg光纤的机器人关节力感知系统及其优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，并提供了一种基于FBG光纤的机器人关节力感知系统及其优化方法，包括腕部关节、柔性关节、固定基座和多个第一FBG传感器，所述腕部关节与机器人关节的末端执行器连接；所述柔性关节包括第一连接部、多个柔性梁和第二连接部，多个所述柔性梁间隔设置，且所述柔性梁的两端分别与所述第一连接部和所述第二连接部连接，所述第一连接部与所述腕部关节套接；所述第二连接部背离所述柔性梁的一端与所述固定基座连接；多个所述第一FBG传感器分别设置于多个所述柔性梁上；本发明通过在柔性关节中间的多个柔性梁上分别设置多个第一FBG传感器，实现对末端执行器受力的感知测量，从而保证力感知系统的精度和可靠性。

Description

一种基于FBG光纤的机器人关节力感知系统及其优化方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种基于FBG光纤的机器人关节力感知系统及其优化方法。
背景技术
目前，对于大多数微创手术机器人来说，其末端控制器一般都装有FBG光学传感器作为感知系统，用于感知在手术操作过程中的受力、变形或突如其来任意施加冲击所产生的反馈力，其中，FBG光学传感器即光纤布拉格光栅传感器，是一种使用频率较高、应用范围较广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。但现有的手术机器人的末端关节处的力感知系统因仅具备二维的力感知能力，或一些力感知系统直接集成布置在机器人外部的躯干上，导致力感知精度和可靠性较低。
发明内容
本发明解决的问题是现有的机器人关节处的力感知系统因仅具有二维的力感知能力或力感知系统直接集成于机器人外部的躯干上，导致力感知精度和可靠性较低。
为解决上述问题，本发明提供一种基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，包括：
腕部关节，所述腕部关节用于与机器人关节的末端执行器连接；
柔性关节，所述柔性关节包括第一连接部、多个柔性梁和第二连接部，多个所述柔性梁环绕间隔设置，且各所述柔性梁的两端分别与所述第一连接部和所述第二连接部连接，所述第一连接部与所述腕部关节套接；
固定基座，所述第二连接部背离所述柔性梁的一端与所述固定基座连接；
多个第一FBG传感器，多个所述第一FBG传感器分别设置于多个所述柔性梁上。
由此，柔性关节中的第一连接部可通过腕部关节与机器人关节的末端执行器连接，而柔性关节中的第二连接部背离腕部关节的一端与固定基座连接，在柔性关节中间的多个柔性梁上分别设置多个第一FBG传感器，在末端执行器抓取物品时，力感知系统通过设置于柔性关节上的成环形间隔排列的多个第一FBG传感器可以实现对末端执行器径向受力的感知测量，感知的范围扩大且可获取的测量数据更多，从而保证力感知系统的精度和可靠性。
可选地，所述第一连接部包括第一圆筒结构、支撑环结构以及多个连接筋，所述支撑环结构设置于所述第一圆筒结构朝向所述腕部关节的一端内部，多个所述连接筋成环形排列设置于所述第一圆筒结构和所述支撑环结构之间，且所述连接筋与所述支撑环结构连接；多个所述连接筋分别与多个所述柔性梁位置对应。
可选地，所述连接筋与所述第一圆筒结构朝向所述腕部关节的一端预设间距，当所述第一圆筒结构与所述腕部关节套接时，所述连接筋与所述腕部关节相抵。
可选地，还包括第一固定块，所述腕部关节的内部设有第一容置腔，所述第一固定块的两端分别嵌设于所述第一容置腔和所述支撑环结构内。
可选地，还包括第二固定块和第二FBG传感器，所述固定基座的内部设有第二容置腔，所述第二固定块嵌设于所述第二容置腔内，所述第二FBG传感器的两端分别与所述第一固定块和第二固定块连接。
可选地，还包括第三固定块和第四固定块，所述第一固定块与所述第三固定块相对设置于所述第一容置腔内，用于定位夹紧所述第二FBG传感器的一端；所述第二固定块与所述第四固定块相对设置于所述第二容置腔内，用于定位夹紧所述第二FBG传感器的另一端。
可选地，所述柔性关节还包括第一插接结构和第二插接结构，所述第一插接结构设置于所述第二连接部上背离所述柔性梁的一端，所述第二插接结构设置于所述固定基座上朝向所述第二连接部的一端，所述第一插接结构适于与所述第二插接结构插接。
可选地，所述柔性关节的所述第一连接部和所述第二连接部的横截面连通区域的面积均大于多根所述柔性梁截面积的总和。
可选地，还包括第一锁止件和第二锁止件，所述腕部关节和所述固定基座的周向分别设有第一定位孔和第二定位孔，且所述第一定位孔和所述第二定位孔分别与所述第一容置腔和所述第二容置腔相连通；所述第一锁止件适于嵌入所述第一定位孔内以将所述第一固定块和第三固定块压紧于所述腕部关节内，所述第二锁止件适于嵌入所述第二定位孔内以将所述第二固定块和第四固定块压紧于所述固定基座内。
可选地，还包括定位柱，所述定位柱设置于所述固定基座朝向所述柔性关节的一端，所述第二连接部的内部设有第四容置腔，当所述第二连接部与所述固定基座适配插接时，所述定位柱嵌入所述第四容置腔内。
可选地，所述柔性关节采用树脂、尼龙、和玻璃纤维、橡胶和金属中任意一种材料制成。
本发明还涉及一种基于FBG光纤的机器人关节力感知的优化方法，采用如上述实施例中任一项所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，包括：
步骤S1、建立柔性关节的拉压模型；
步骤S2、建立所述柔性关节的弯曲模型；
步骤S3、根据柔性关节的拉压模型及弯曲模型建立子优化目标函数和总体优化目标函数；
步骤S4、采用基于约束因子改进的PSO算法对所述柔性关节的机械结构参数进行优化。
附图说明
图1为本发明实施例中机器人关节力感知系统的装配结构示意图；
图2为本发明实施例中机器人关节力感知系统的爆炸结构示意图；
图3为本发明实施例中柔性关节的结构示意图之一；
图4为本发明实施例中柔性关节的结构示意图之二；
图5为本发明实施例中定位连接件的结构示意图；
图6为本发明实施例中第一FBG传感器在柔性关节的布置及轴向示意图；
图7为本发明实施例中柔性关节的弯矩测力解算原理示意图。
附图标记说明：
1-腕部关节；11-第一容置腔；12-第一定位孔；2-柔性关节；21-第一连接部；211-第一圆筒结构；212-支撑环结构；213-连接筋；22-柔性梁；23-第二连接部；231-第四容置腔；24-第一插接结构；25-第二插接结构；3-固定基座；31-第二容置腔；32-第二定位孔；4-第一固定块；5-关节轴；6-第二固定块；7-第三固定块；8-第四固定块；9-第一锁止件；10-第二锁止件；13-定位连接件；131-第三定位孔；132-第三容置腔；14-第三锁止件；15-定位柱。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
为解决上述技术问题，结合图1和图2所示，本发明提供一种基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，包括：
腕部关节1，所述腕部关节1用于与机器人关节的末端执行器连接；
柔性关节2，所述柔性关节2包括第一连接部21、多个柔性梁22和第二连接部23，多个所述柔性梁22环绕间隔设置，且各所述柔性梁22的两端分别与所述第一连接部21和所述第二连接部23连接，所述第一连接部21与所述腕部关节1套接；
固定基座3，所述第二连接部23背离所述柔性梁22的一端与所述固定基座3连接；
多个第一FBG传感器，多个所述第一FBG传感器分别设置于多个所述柔性梁22上。
由此，柔性关节2中的第一连接部21通过腕部关节1与机器人关节的末端执行器连接，而柔性关节2中的第二连接部23背离腕部关节1的一端与固定基座3连接，在柔性关节2中间的多个柔性梁上分别设置多个第一FBG传感器，在末端执行器抓取物品时，力感知系统通过设置于柔性关节2上的成环形间隔对称排列的多个第一FBG传感器和位于中心的第二FBG传感器可以实现对末端执行器所受三维力的感知与测量，即末端执行器在末端所受的力总能分解为X轴、Y轴和Z轴三个方向的分量，相对现有技术中仅具有二维力感知能力的感知系统而言，本发明可以实现在任意方向三轴力的拉压和弯矩力感知，感知范围得以扩大且可获取的测量数据更多，从而保证力感知系统的精度、一定的应激性和可靠性；柔性梁22的两端分别与第一连接部21和第二连接部23一体或分体连接。
在本实施例中，第一FBG传感器可设置于柔性梁22的周向侧壁或内侧壁上，这样不仅可以减少柔性关节2的占据空间，而且还可以通过设计外罩罩设在柔性梁22的外侧，以防止在正常工作时外物碰触导第一FBG传感器，从而保证了第一FBG传感器的对外部作用力的径向信息感知或测量；其中，第一FBG传感器可以通过胶水固定于柔性梁22上；由于在每个柔性梁22上均设置第一FBG传感器，进而使力感知系统在工作过程中，避免因其中一个通道上第一FBG传感器出现意外情况而影响到对外部作用力的整个感知效果，即正常运行的其他第一FBG传感器仍能保持获取径向力信息的能力。
本上述实施例中，还包括关节轴5，其中，腕部关节1朝向末端执行器的一端为U型结构，且在U型结构的端部开设轴孔，关节轴5嵌设于轴孔内，进而便于腕部关节1通过关节轴5与末端执行器连接。
在本发明的一个实施例中，结合图3所示，所述第一连接部21包括第一圆筒结构211、支撑环结构212以及多个连接筋213，所述支撑环结构212设置于所述第一圆筒结构211朝向所述腕部关节1的一端内部，多个所述连接筋213成环形对称设置于所述第一圆筒结构211和所述支撑环结构212之间，且所述连接筋213与所述支撑环结构212连接；多个所述连接筋213分别与多个所述柔性梁22位置对应。
需要说明的是，支撑环结构212通过成环形排列的多个连接筋213固定于第一圆筒结构211内，且每个连接筋213分别与每个柔性梁22位置对应，多个连接筋213等间距分布于支撑环结构212周围，进而多个连接筋213与支撑环结构212构成发射状机构，这样设置的好处在于，机器人腕部关节1传递过来的力能够较为集中地作用在多个柔性梁22上，从而提高设置于柔性梁22上多个第一FBG传感器对外部径向力感知或测量的精度；其中，当柔性梁22的数量为4个时，这时四个柔性梁22均匀的分布设置于第一连接部21和第二连接部23之间，与此同时，四个第一FBG传感器对应设置于四个柔性梁22上，而连接筋213的数量也为4个，且四个连接筋213的位置与四个柔性梁22的位置对应，从而在力感知系统工作时，通过四个第一FBG传感器所获得的两组数据对末端执行器受力进行测量，这有助于提高力感知系统的精度；第二，若力感知系统在工作过程中，其中一个通道上柔性梁22因为意外情况而失效，力感知系统仍能保持获取径向力信息的能力，从而保证了力感知的可靠性；又如，柔性梁22的数量为6个或8个时，第一FBG传感器和连接筋213的数量也为6个或8个，即第一FBG传感器和连接筋213的数量与柔性梁22的数量对应，以保证力感知系统的测量精度和可靠性。
在本发明的一个实施例中，所述连接筋213与所述第一圆筒结构211朝向所述腕部关节1的一端预设间距，当所述第一圆筒结构211适于与所述腕部关节1套接时，所述连接筋213与所述腕部关节1相抵。
需要说明的是，腕部关节1朝向柔性关节2的一端适于与柔性关节2的第一圆筒结构211套接，即腕部关节1可部分套设或内嵌于柔性关节2；由于连接筋213与所述第一圆筒结构211朝向所述腕部关节1的一端预设间距，进而当腕部关节1套设或内嵌于柔性关节2时，连接筋213与腕部关节1相抵，这样设置的好处在于，不仅可以缩小整个机器人关节的体积，而且还由于连接筋213的设置防止腕部关节1相对柔性关节2进行轴向上的运动。
在本发明的一个实施例中，结合图1和图2所示，基于FBG光纤的机器人关节力感知系统还包括第一固定块4，所述腕部关节1的内部设有第一容置腔11，所述第一固定块4的两端分别嵌设于所述第一容置腔11和所述支撑环结构212内。
需要说明的是，在腕部关节1朝向柔性关节2的一端内部设置第一容置腔11，且第一容置腔11的轴向长度小于第一固定块4的长度，当腕部关节1与柔性关节2套接时，第一固定块4的两端分别嵌设于所述第一容置腔11和所述支撑环结构212内，这时第一固定块4还起到定向导向作用，确保腕部关节1与柔性关节2处于同一水平线上。
在本发明的一个实施例中，结合图2所示，基于FBG光纤的机器人关节力感知系统还包括第二固定块6和第二FBG传感器，所述固定基座3的内部设有第二容置腔31，所述第二固定块6嵌设于所述第二容置腔31内，所述第二FBG传感器的两端分别与所述第一固定块4和第二固定块6连接。
需要说明的是，固定基座3背离腕部关节1的一端内部设置第二容置腔31，第二固定块6适于嵌入第二容置腔31内，所述第二FBG传感器的两端分别与所述第一固定块4和第二固定块6连接，其中，第一固定块4和第二固定块6的中心部位均设有弧形槽，第二FBG传感器的两端通过胶水分别固定于第一固定块4和第二固定块6的弧形槽内，这样设置的好处在于，由于第二FBG传感器设置于力感知系统内部的中性轴位置，从而可以实现轴向力信息的感知或测量。
在本发明的一个实施例中，结合图2所示，基于FBG光纤的机器人关节力感知系统还包括第三固定块7和第四固定块8，所述第一固定块4与所述第三固定块7相对设置于所述第一容置腔11内，用于定位夹紧所述第二FBG传感器的一端；所述第二固定块6与所述第四固定块8相对设置于所述第二容置腔31内，用于定位夹紧所述第二FBG传感器的另一端。
需要说明的是，第一固定块4与第三固定块7相对设置，以及第二固定块6与第四固定块8相对设置时，当第二FBG传感器的两端通过胶水固定于第一固定块4和第二固定块6后，在将第三固定块7相对设置以将第二FBG传感器的一端紧紧压在第一固定块4上，同时第四固定块8相对设置以将第二FBG传感器的另一端紧紧压在第二固定块6上，然后将相对设置的第一固定块4和第三固定块7嵌入腕部关节1的第一容置腔11内，将相对设置的第二固定块6和第四固定块8嵌入固定基座3的第二容置腔31内，这样设置的好处在于，实现将第二FBG传感器紧紧的固定于基于FBG光纤的机器人关节力感知系统的内部中心位置，提高轴向力信息的感知或测量精度。
在本发明的一个实施例中，结合图2、图3和图4所示，所述柔性关节2还包括第一插接结构24和第二插接结构25，所述第一插接结构24设置于所述第二连接部23上背离所述柔性梁22的一端，所述第二插接结构25设置于所述固定基座3上朝向所述第二连接部23的一端，所述第一插接结构24适于与所述第二插接结构25插接。
需要说明的是，若第一插接结构24为凹槽结构时，第二插接结构25为凸起结构，若第一插接结构24为凸起结构时，第二插接结构25为凹槽结构，从而实现柔性关节2中第二连接部23与固定基座3的快速装配；其中，若第一插接结构24、第二插接结构25与多根柔性梁22的位置对应，即若柔性梁22的数量为4根且等间距排列时，第一插接结构24为十字形凹槽，第二插接结构25为十字形支架，故第一插接结构24和第二插接结构25的具体形状在此不做过多限定。
在本发明的一个实施例中，所述柔性关节2的所述第一连接部21和所述第二连接部23的横截面连通区域的面积均大于多根所述柔性梁22截面积的总和。
需要说明的是，第一连接部21的横截面连通区域的面积以及第二连通部23的横截面连通区域的面积分别大于多根柔性梁22的截面积总和，从而使柔性关节2中第一连接部21和第二连接部23的刚度比多个柔性梁22的刚度更大，以保证在承受外力时主要应变集中在柔性关节2的柔性梁22上，从而进一步提高力感知径向力上的检测精度。
在本发明的一个实施例中，结合图1和图2所示，基于FBG光纤的机器人关节力感知系统还包括第一锁止件9和第二锁止件10，所述腕部关节1和所述固定基座3的周向分别设有第一定位孔12和第二定位孔32，且所述第一定位孔12和所述第二定位孔32分别与所述第一容置腔11和所述第二容置腔31相连通；所述第一锁止件9适于嵌入所述第一定位孔12内以将所述第一固定块4和第三固定块7压紧于所述腕部关节1内，所述第二锁止件10适于嵌入所述第二定位孔32内以将所述第二固定块6和第四固定块8压紧于所述固定基座3内。
需要说明的是，腕部关节1朝向柔性关节2的一端开设第一定位孔12，第一锁止件9嵌入第一定位孔12之后适于与第一固定块4和第二固定块6相抵，第一定位孔12为螺栓孔，第一锁止件9为螺栓，当第一固定块4和第二固定块6嵌入第一容置腔11内，第一锁止件9螺旋拧入第一定位孔12内，即可以将第一固定块4和第二固定块6紧紧的定位于第一容置腔11内，从而第一固定块4和第二固定块6在第一容纳腔内晃动或偏移错位；还包括第一螺栓，且第一螺栓贯穿腕部关节1，以将第一固定块4和第二固定块6固定到一起，从而加强第一固定块4和第二固定块6对第二FBG传感器的一端固定，进一步防止第二FBG传感器松动，以保证力感知系统轴向力的感知或检测精度；同理，第二锁止件10穿入第二定位孔32内并与第三固定块7和第四固定块8相抵，从而将第三固定块7和第四固定块8牢固的定位于第二容置腔31内，以加强第三固定块7和第四固定块8对第二FBG传感器的另一端固定作用。
在本发明的一个实施例中，基于FBG光纤的机器人关节力感知系统还包括定位柱15，所述定位柱15设置于所述固定基座3朝向所述柔性关节2的一端，所述第二连接部23的内部设有第四容置腔231，当所述第二连接部23与所述固定基座3适配插接时，所述定位柱15嵌入所述第四容置腔231内。
需要说明的是，结合图2和图4所示，定位柱15可以一体或分体设置于固定基座朝向柔性关节2的一端，且定位柱15为圆柱结构，且定位柱15中心轴线处设有通孔，以便于第一FBG传感器、第二FBG传感器和导丝等零件穿过，所述第二连接部23的内部设有第四容置腔231，当柔性关节2中的第二连接部23与固定基座3连接时，第一插接结构24与第二插接结构25适配插接，且定位柱15嵌入所述第四容置腔231内；其中，定位柱15不仅可以确保柔性关节2与固定基座3的连接部位处于同一轴线上以实现同轴设置，且定位柱还起到对第二FBG传感器的定位支撑作用，从而保证第二FBG传感器始终处于力感知系统的中心轴线上，从而提高了力感知的轴向感知精度。
在本发明的一个实施例中，结合图1和图5所示，还包括定位连接件13和第三锁止件14，其中，定位连接件13与固定基座3背离腕部关节1的一端连接；其中，定位连接件13内部设有第三容置腔132，定位连接件13的周向开设第三定位孔131，第三固定块7和第四固定块8的两端分别嵌入第二容置腔31和第三容置腔132内，第三锁止件14适于嵌入第三定位孔131内，以将第三固定块7和第四固定块8固定于第三容置腔132内，从而实现固定基座3与定位连接件13之间的连接。
在本发明的一个实施例中，所述柔性关节2采用树脂、尼龙、玻璃纤维、橡胶和金属中任意一种材料制成。
需要说明的是，柔性关节2可根据具体应用环境采用树脂、尼龙、玻璃纤维、橡胶和金属中任意一种材料制成；其中，树脂材料中可选用
Figure BDA0002694980300000101
GP PlusWhite 14122、VeroWhitePlus RGD835等柔性树脂材料，在此不作过多举例，其中，
Figure BDA0002694980300000102
GP PlusWhite14122为白色光敏环氧树脂材料，VeroWhitePlus RGD835为刚性不透明白色材料。尼龙材料可选用HP 3D High Reusability PA 12、FS3300PA等柔性尼龙材料，其中，HP 3D HighReusability PA 12为可复用性PA尼龙材料，FS3300PA为高强度尼龙材料。金属材料可选用如不锈钢、铝、铜等，在此不做过多举例。玻璃纤维选用Fiberglass作为柔性关节2的制备原材料。其中，柔性关节2通过3D打印的方法打印制造而成。
本发明还涉及一种基于FBG光纤的机器人关节力感知的优化方法，采用如上述实施例中任一项所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，包括如下步骤：
步骤S1、建立柔性关节2的拉压模型。
需要说明的是，结合图6所示，柔性关节2的单根柔性梁22的形变由拉压和弯曲共同作用产生。柔性关节的两端进行钢化处理后，该柔性关节2应变主要集中在四根柔性梁22上。由材料力学可知，物体受正向拉压后产生的应变可通过应力计算得出：
Figure BDA0002694980300000111
其中εs表示应变；σs表示应力；E表示杨氏模量；同时根据应力的定义有：
Figure BDA0002694980300000112
其中FN(x)表示物体受力；A(x)表示接触面积；于是，对所设计柔性关节而言有：
Figure BDA0002694980300000113
其中，εsi表示第i根柔性梁22承受正向拉压力所产生的长度方向上的变化；
Figure BDA0002694980300000114
表示第i根柔性梁所受的正向拉力或压力，Ee表示柔性梁的杨氏模量，Ai(x)表示第i根柔性梁22横截面面积(i＝1，2，3，4)。
对所设计柔性关节有：
l1＝l2＝l3＝l4＝l,A1(x)＝A2(x)＝A3(x)＝A4(x)＝Ae 公式4
其中l,Ae均为柔性关节2的机械尺寸，Ae因此也表示单根柔性梁的截面积。将上式代入公式3即可得第i根柔性梁22受拉、压力后产生的长度变化：
Figure BDA0002694980300000121
由叠加定理应和对称性，应有：
Figure BDA0002694980300000122
式中FN(x)表示柔性关节2末端所受总拉(压)力。在实验或实际承受外力的确定时刻中均为离散的定值。因而公式5亦可以写成：
Figure BDA0002694980300000123
自此柔性关节的拉压模型建立完毕。
步骤S2、建立所述柔性关节2的弯曲模型。
需要说明的是，该柔性关节2在承受弯矩后所产生的形变主要表现为柔性梁22端部产生的挠转角。可作假设将多个连接筋213所在端面移去后，四根柔性梁22均为各自独立的悬臂梁模型，则由挠曲线近似微分方程：
Figure BDA0002694980300000124
此处θ为柔性梁受弯矩作用后产生的挠转角，因而可知对于每根梁均有：
Figure BDA0002694980300000125
其中
Figure BDA0002694980300000128
表示第i根梁上所作弯矩图面积，E表示柔性关节的杨氏模量，I表示柔性梁的惯性矩。由叠加定理：
Figure BDA0002694980300000126
而因四根柔性梁上的弯矩均由作用在机器人关节处的外力提供，故实际有：
Figure BDA0002694980300000127
其中L表示力作用点至柔性梁22右端所在平面的轴向距离。将上式代入公式10可得：
Figure BDA0002694980300000131
即：
Figure BDA0002694980300000132
上公式25亦可以写成：
Figure BDA0002694980300000133
另，可由纯弯曲构件的正应力计算模型推导其外部作用力与弯曲应变的关系，其核心公式为：
Figure BDA0002694980300000134
其中y为应变测量位置到中性面的距离，R为柔性关节外径(径向距离中性面最远处产生最大应力)。从而单根柔性梁由纯弯曲所致应变为：
Figure BDA0002694980300000135
其中εi为第i根柔性梁承受纯弯曲所产生的应变，σi为第i根柔性梁承受纯弯曲所产生的正应力，Mi为第i根柔性梁所承受弯矩。又因为
Figure BDA0002694980300000136
代入得：
Figure BDA0002694980300000137
上式亦可以写成：
Figure BDA0002694980300000138
自此，柔性关节的弯曲模型建立完毕。
步骤S3、根据柔性关节2的拉压模型及弯曲模型建立子优化目标函数和总体优化目标函数；
需要说明的是，力感知系统受力后产生的应变基本集中在柔性关节上，优化目标应与柔性关节的轴向刚度和横向刚度密切相关。所设计柔性关节的轴向刚度及横向刚度分别为：
Figure BDA0002694980300000141
其中弹性模量Ee为材料的性质参数，属优化范围之外；Ae为柔性关节的横截面积，属优化范围之内。计算Ae时可将柔性梁截面的一半按照由y轴从上到下的方向分成S1，S2，S3三个区域，其中各区域的面积可以分别写成：
Figure BDA0002694980300000142
因而单根柔性梁的截面积可以写成：
Ae＝2·(A1+A2+A3) 公式25
故Ae实际可通过d、r、R表示。综上，待优化参数包含柔性梁长度l、柔性梁前端所在平面至腕部中心位置直线距离L、柔性梁宽度d、柔性梁外表面半径r及内表面半径R。同时，考虑腹腔手术机器人实际应用场景和操作空间对器械腕部直径、长度和传感机构的限制，可分别确定各参数的优化范围。为能尽量提高所设计传感机构的应变灵敏度，定义优化目标函数1如下：
Figure BDA0002694980300000143
根据上式，所设计力感知系统的轴向刚度及横向刚度越大，目标函数f1越小，越符合优化目标；另一方面，为使所设计力感知系统的轴向刚度与横向刚度尽量保持接近，以保证较好的探测性能一致性，定义优化目标函数2如下：
Figure BDA0002694980300000144
根据上式，所设计力感知系统的轴向与横向刚度越接近，目标函数f1越小，系统的力感知一致性越好。同时考虑到所设计力感知系统的灵敏度大小ks和kb对传感性能影响较大，从而完成子优化目标函数的建立；定义综合优化目标函数如下：
Figure BDA0002694980300000151
其中f1min、f1max分别为目标函数1在搜索范围内的最大值和最小值；f2min、f2max分别为目标函数2在搜索范围内的最大值和最小值，从而完成总体优化目标函数的建立。
步骤S4、采用基于约束因子改进的PSO算法对所述柔性关节2的机械结构参数进行优化。
由此，基于上述总体优化目标函数的相关优化参数设置可通过下表总结表示：
表1优化问题及相关参数设置
Figure BDA0002694980300000152
需要说明的是，通过基于约束因子改进的PSO算法不断对最优解的搜索迭代，寻找目标函数的最小(最优)值，以实现对柔性关节2的优化；除温度解耦用FBG传感器外，所设计基于FBG光纤的机器人关节力感知系统共需布置五个FBG传感器，其中位于机器人关节内中性轴处的第二FBG传感器用于直接感知柔性关节所受的轴向力，边缘四根布置在柔性梁22处的第一FBG传感器用于感知腕部关节中心点处所受的二维横向力(体现为柔性梁所受弯矩)。由于实际使用时外部作用力所造成的柔性梁应变均为耦合后的效果，故每次通过测量数据解算横向力前，需通过中心FBG的波长变化量对其余四根第一FBG传感器测量结果进行解耦。
结合图7为通过柔性梁处第一FBG传感器解耦后所得应变解算弯矩的原理示意图如7所示，为方便解释，下述计算所用A，B，C，D四点的应变值均为解耦后所得结果。
如图7，将四个第一FBG传感器应变测量点A，B，C，D置于上图所示截圆进行分析。由对称性可知，不论柔性关节所受弯矩M矢量方向如何，其仅受纯弯矩的测量所得应变量一定是按照A、C；B、D两两对称分布。因此，四根第一FBG传感器的布置实际上形成了两组横向力测量单元。理论上，该两组单元经过解算所获横向力应当是一致的；但可以预见，由于实际应用中存在各方面的误差来源，该两组单元所获得的测量结果会存在一定的差异。为获得更准确的测量效果，并在一定程度上提高系统的可靠性，取两测量单元所测得横向力大小和方向的均值作为最终结果。下面7给出通过该两组FBG传感器分别获取横向力矢量信息的解算模型。
对图7中A、B、C、D四点的应变进行分析：假设M方向如图所示，由公式16可知：
Figure BDA0002694980300000161
Figure BDA0002694980300000162
Figure BDA0002694980300000163
Figure BDA0002694980300000164
其中，α为弯矩M与X轴所夹角度(M在X轴逆时针方向为正)，若设
Figure BDA0002694980300000165
则由公式19，可得：
Figure BDA0002694980300000166
可将上式写成两组矩阵形式：
Figure BDA0002694980300000171
其中F1表示通过第一组第一FBG传感器A、B解算得到的横向力矢量，F2表示通过第二组第一FBG传感器C、D解算得到的横向力矢量。。由于通过FBG进行测量时应变直接表现为中心波长的改变量，故可将FBG应变测量模型(见附录)代入上式等得到：
Figure BDA0002694980300000172
并最终通过两组测量单元获得平均测量结果：
Figure BDA0002694980300000173
其幅值为：
Figure BDA0002694980300000174
弯矩M与X轴正向所夹角度α可通过A、B或C、D两点应变的比值求出。由于当α非为锐角时可能会出现多种结果，为保证比值结果对于任意方向均适用，可以借用四象限反正切函数计算其角度；同样，在计算角度时，也可以采用两组测量单元结果求平均值的方法，即：
Figure BDA0002694980300000175
为保证该力感知系统的可靠性，每当两组测量单元进行横向力的采样测量时，需保证每组测量单元提供的结果均正常可靠，从而实现了通过POS算法对柔性关节2的机械结构参数优化。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，包括：
腕部关节(1)，所述腕部关节(1)用于与所述机器人关节的末端执行器连接；
柔性关节(2)，所述柔性关节(2)包括第一连接部(21)、多个柔性梁(22)和第二连接部(23)，多个所述柔性梁(22)环绕对称设置，且各所述柔性梁(22)的两端分别与所述第一连接部(21)和所述第二连接部(23)连接，所述第一连接部(21)与所述腕部关节(1)套接；
固定基座(3)，所述第二连接部(23)背离所述柔性梁(22)的一端与所述固定基座(3)连接；
多个第一FBG传感器，多个所述第一FBG传感器分别设置于多个所述柔性梁(22)上，所述第一FBG传感器设置于所述柔性梁(22)的周向侧壁或内侧壁上；
所述第一连接部(21)包括第一圆筒结构(211)、支撑环结构(212)以及多个连接筋(213)，所述支撑环结构(212)设置于所述第一圆筒结构(211)朝向所述腕部关节(1)的一端内部，多个所述连接筋(213)成环形排列设置于所述第一圆筒结构(211)和所述支撑环结构(212)之间，且所述连接筋(213)与所述支撑环结构(212)连接；多个所述连接筋(213)分别与多个所述柔性梁(22)位置对应，多个所述连接筋(213)与所述支撑环结构(212)构成发射状机构；
通过所述基于FBG光纤的机器人关节力感知系统建立的基于FBG光纤的机器人关节力感知的优化方法包括以下步骤：
首先，建立所述柔性关节（2）的拉压模型，所述拉压模型公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
上式中：ks表示所述柔性关节（2）的轴向刚度，FN表示所述柔性关节（2）末端所受总拉力或总压力，εsi表示第i根所述柔性梁（22）承受正向拉压力所产生的长度方向上的变化，Ee表示所述柔性梁（22）的杨氏模量，Ae表示单根所述柔性梁（22）的截面积；
其次，建立所述柔性关节（2）的弯曲模型，所述弯曲模型公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
上式中：kb表示所述柔性关节（2）的横向刚度，Fi表示作用在第i根所述柔性梁（22）上的外力，εi为第i根所述柔性梁（22）承受纯弯曲所产生的应变，Ee表示所述柔性梁（22）的杨氏模量，I表示所述柔性梁（22）的惯性矩，R为所述柔性梁（22）外径，L表示所述柔性梁（22）前端所在平面至腕部中心位置直线距离，l表示所述柔性梁（22）长度；
再次，根据所述柔性关节（2）的所述拉压模型及所述弯曲模型建立子优化目标函数和总体优化目标函数，包括：
为能尽量提高所述传感器的应变灵敏度，定义第一优化目标函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
上式中：f1表示所述第一优化目标函数，ks表示所述柔性关节（2）的轴向刚度，kb表示所述柔性关节（2）的横向刚度；
为使所述力感知系统的所述轴向刚度与所述横向刚度尽量保持接近，以保证较好的探测性能一致性，定义第二优化目标函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
上式中：f2表示所述第二优化目标函数，ks表示所述柔性关节（2）的轴向刚度，kb表示所述柔性关节（2）的横向刚度；
同时考虑到所述力感知系统的灵敏度大小所述ks和所述kb对传感性能影响较大，从而完成子优化目标函数的建立；定义综合优化目标函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
上式中：f表示所述综合优化目标函数，f1表示所述第一优化目标函数，f2表示所述第二优化目标函数，f1min、f1max分别为所述第一优化目标函数在搜索范围内的最小值和最大值；f2min、f2max分别为所述第二优化目标函数在搜索范围内的最小值和最大值，从而完成所述总体优化目标函数的建立；
最后，采用基于约束因子改进的PSO算法对所述柔性关节（2）的机械结构参数进行优化。
2.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，所述连接筋(213)与所述第一圆筒结构(211)朝向所述腕部关节(1)的一端预设间距，当所述第一圆筒结构(211)与所述腕部关节(1)套接时，所述连接筋(213)与所述腕部关节(1)相抵。
3.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，还包括第一固定块(4)，所述腕部关节(1)的内部设有第一容置腔(11)，所述第一固定块(4)的两端分别嵌设于所述第一容置腔(11)和所述支撑环结构(212)内。
4.根据权利要求3所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，还包括第二固定块(6)和第二FBG传感器，所述固定基座(3)的内部设有第二容置腔(31)，所述第二固定块(6)嵌设于所述第二容置腔(31)内，所述第二FBG传感器的两端分别与所述第一固定块(4)和第二固定块(6)连接。
5.根据权利要求4所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，还包括第三固定块(7)和第四固定块(8)，所述第一固定块(4)与所述第三固定块(7)相对设置于所述第一容置腔(11)内，用于定位夹紧所述第二FBG传感器的一端；所述第二固定块(6)与所述第四固定块(8)相对设置于所述第二容置腔(31)内，用于定位夹紧所述第二FBG传感器的另一端。
6.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，所述柔性关节(2)还包括第一插接结构(24)和第二插接结构(25)，所述第一插接结构(24)设置于所述第二连接部(23)上背离所述柔性梁(22)的一端，所述第二插接结构(25)设置于所述固定基座(3)上朝向所述第二连接部(23)的一端，所述第一插接结构(24)适于与所述第二插接结构(25)插接。
7.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，所述柔性关节(2)的所述第一连接部（21）和所述第二连接部（23）的横截面连通区域的面积均大于多根所述柔性梁(22)截面积的总和。
8.根据权利要求5所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，还包括第一锁止件(9)和第二锁止件(10)，所述腕部关节(1)和所述固定基座(3)的周向分别设有第一定位孔(12)和第二定位孔(32)，且所述第一定位孔(12)和所述第二定位孔(32)分别与所述第一容置腔(11)和所述第二容置腔(31)相连通；所述第一锁止件(9)适于嵌入所述第一定位孔(12)内，所述第二锁止件(10)适于嵌入所述第二定位孔(32)内。
9.根据权利要求6所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，还包括定位柱（15），所述定位柱（15）设置于所述固定基座(3)朝向所述柔性关节（2）的一端，所述第二连接部（23）的内部设有第四容置腔（231），当所述第二连接部(23)与所述固定基座（3）适配插接时，所述定位柱（15）嵌入所述第四容置腔（231）内。
10.根据权利要求1所述的基于FBG光纤的机器人关节力感知系统，其特征在于，所述柔性关节（2）采用树脂、尼龙、玻璃纤维、橡胶和金属中任意一种材料制成。
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