CN114370967B - 基于聚合物光纤结的三维力传感器和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚合物光纤结的三维力传感器和检测方法。包括底板、弹性柱、压头和三根聚合物光纤；底板上设置有三个相互间隔布置的弹性柱，弹性柱上设置用于感知外部三维力的压头，每个弹性柱上面布置一根聚合物光纤，且被压在弹性柱和压头之间；聚合物光纤上设有聚合物光纤结，聚合物光纤结位于弹性柱和压头之间，聚合物光纤结是由聚合物光纤打结形成。本发明具有制备简易、灵敏度高、鲁棒性好、可同时测量压力和摩擦力的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维力检测传感器，具体是涉及了一种使用聚合物光纤结以同时实现压力和摩擦力测量的传感器和检测方法。
背景技术
力传感器用途广泛，是目前最常用的传感器之一。常见力传感器为测量压力或拉力的一维(或单轴)力传感器，不具备测量摩擦力的功能，因此能够同时测量压力和摩擦力的三维力传感器具有重要应用价值，尤其是机器人力触觉感知、工业生产制造、航空航天等领域。三维力传感器的常见工作原理包括电阻应变式、光纤应变式、电容式、压电式、电感式等。
光纤传感器与传统的机械或电子传感器不同，具有体积小，重量轻，柔软，灵敏度高，抗电磁干扰和布线串扰等多项优势。聚合物光纤是由高透明聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，聚苯乙烯PS，聚碳酸酯PC作为芯层材料，含氟聚合物或较低折射率的PMMA作为包层材料的一类光纤。聚合物光纤结由聚合物光纤打结形成。由于结的三维结构和光线的弯曲损耗，在受到垂直于结平面的压力和平行于结平面的摩擦力时，光纤结的光透过率将发生改变，因此光纤结具有测量三维力的潜力。然而，单个光纤结的光透过率变化无法实现三维力解耦，即无法同时获知压力和摩擦力的数值。此外，当外力超过光纤结受力极限后，光纤结将受损失效。因此，三维力解耦和超限保护是光纤结用于三维力测量的关键技术问题。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种封装多个聚合物光纤结以实现三维力解耦和超限保护的制作方法以及检测方法，以实现基于聚合物光纤结的三维力传感器。
本发明具有制备简易、灵敏度高、鲁棒性好、可同时测量压力和摩擦力的特点。
本发明的技术方案是：
一、一种基于聚合物光纤结的三维力传感器：
主体结构包括底板、弹性柱、压头和三根聚合物光纤；底板上设置有三个相互间隔布置的弹性柱，弹性柱上设置用于感知外部三维力的压头，每个弹性柱上面布置一根聚合物光纤，且被压在弹性柱和压头之间。
所述的聚合物光纤上设有聚合物光纤结，聚合物光纤结位于弹性柱和压头之间，聚合物光纤结是由聚合物光纤打结形成。
还包括外壳，压头由压头帽和压头底座组成，压头底座布置在三个弹性柱上面，外壳位于压头底座上方且固定连接到底板，压头帽位于外壳上方；压头底座上端设有凸起，外壳上开设有通槽，压头底座的凸起穿设过外壳上的通槽后和压头帽连接。
所述的底板上开设有通孔，螺钉穿过通孔后连接到外壳底部的螺纹孔中。
每根聚合物光纤的一端均连接到光源，另一端均连接到光探测器，光探测器连接到计算机。
二、一种三维力检测方法：
通过光探测器探测获得经三个聚合物光纤传输过来的光束的光强，由光强转换为光透过率，通过三个光透过率共同来计算三维力大小。
将三个光透过率输入到通过事先由机器学习方法生成的回归拟合模型所得的光透过率与三维力之间的映射关系中，实时计算出三维力数值，包括摩擦力Fx、Fy和压力Fz。
机器学习方法包括但不限于支持向量机SVM、多层感知机MLP、极限学习机ELM。
本发明的聚合物光纤结对三维力，包括一个正向压力和两个切向摩擦力，具有灵敏响应。将三个聚合物光纤结布置在具有超限保护功能的壳体中可制作鲁棒性较好的三维力传感器。该传感器根据三个光纤结的光透过率，通过机器学习所得的拟合模型，可以实时计算出三维力的数值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)单个光纤结的光透过率变化只能求解一维力，而三个光纤结的光透过率变化可以与三维力建立准确的映射关系，从而实现三维力测量。
(2)光透过率与三维力的映射关系通过机器学习方法生成的回归拟合模型所得，无需复杂的力学理论模型和采样电路设计。
(3)使用六个光纤结可以实现六维力测量，包括三个力和三个力矩。
(4)增加光纤结的数量可以使光透过率与多维力的映射关系更为准确。
(5)将光纤结放置在保护性外壳中，由压头传递外力，外壳承担过载，可以保护光纤结不受过载损伤，实现超限保护。
(6)传感器的灵敏度和工作范围受到光纤结大小、弹性柱尺寸和弹性模量的影响，通过调节光纤结的大小、弹性柱尺寸和弹性模量可以对传感器的灵敏度、工作范围等传感性能进行调整。
(7)光纤结和弹性柱的制备工艺简单，一致性好，成本低廉。传感器的机械部件结构简单易加工。
(8)传感器基于光学原理工作，抗电磁干扰和布线串扰，不会产生漏电、短路等安全隐患，安全性较高。
附图说明
图1是本发明基于聚合物光纤结的三维力传感器的结构示意图；
图2是本发明中除去压头帽后的结构示意图；
图3是本发明中使用的金属装配体的结构示意图；
图4是本发明中金属装配体的沿中轴线的剖面图；
图5是本发明基于聚合物光纤结的三维力传感器的爆炸图；
图6是本发明中在底板上布置光纤结和弹性柱的方法示意图；
图7是本发明中光纤结和弹性柱在底板上的暂时布局示意图；
图8是本发明中光纤结和弹性柱在底板上的最终布局示意图；
图9是本发明中基于聚合物光纤结的三维力传感器在工作时的设备连接示意图；
图10是本发明对基于聚合物光纤结的三维力传感器在使用前的标定和使用时的解耦的流程示意图；
图11是本发明基于聚合物光纤结的三维力传感器的光透过率输出信号和三维力解耦曲线示意图。
图中：1—底板，2—压头帽，3—聚合物光纤，4—外壳，5—压头底座，6—螺纹孔，7—底板扩大板，8—弹性柱，9—聚合物光纤结，10—通孔，11—基于聚合物光纤结的三维力传感器，12—光源，13—光探测器，14—计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图5所示，基于聚合物光纤结的三维力传感器11的主体结构包括底板1、外壳4、弹性柱8、压头和三根聚合物光纤3；底板1上设置有三个相互间隔布置的弹性柱8，弹性柱8上设置用于感知外部三维力的压头，每个弹性柱8上面布置一根聚合物光纤3，且被压在弹性柱8和压头之间。
聚合物光纤3上设有聚合物光纤结9作为压力敏感点，聚合物光纤结9位于弹性柱8和压头之间，每一根聚合物光纤的下方为一个弹性柱8，聚合物光纤结9是由聚合物光纤3打结形成。
这样，每个聚合物光纤结被粘附在一个弹性柱上方，而且三个弹性柱沿圆周等距布置在底板上。
光纤结和弹性柱被外壳覆盖，压头通过外壳的通孔与三个光纤结相连，从而将外力传递给光纤结。外力使压头逐渐下压和剪切光纤结和弹性柱，造成光纤光透过率改变。
压头由压头帽2和压头底座5组成，压头底座5布置在三个弹性柱8上面，外壳4位于压头底座5上方且固定连接到底板1，压头帽2位于外壳4上方，用于接触外部三维力；压头底座5上端设有至少两个凸起，外壳4上开设有和凸起数量相同的通槽，压头底座5的凸起穿过外壳4上的通槽后插入压头帽2的凹槽中，与压头帽2固定连接。
外壳4的通槽的作用之一是限制压头底座5上的圆柱子在XOY平面内平移，从而限制压头底座5在XOY平面内旋转，进而避免对光纤结9产生剪切或摩擦破坏。弹性柱8至少需要两个，如果压头底座5上的圆柱的三个弹性柱8只有一个，且位于圆心，则无法限制压头底座5在XOY平面内旋转，因此无法避免对光纤结9产生剪切或摩擦破坏。
当三维力的外力达到一定程度时，压头与外壳4接触，额外的力将传递给外壳4，使聚合物光纤结9受力不超过受力上限，从而实现超限保护。具体而言，当压头帽2压到外壳4时，压头底座5无法继续下压，从而避免聚合物光纤结9的挤压破坏；当压头在XOY平面内的平移或旋转时，压头底座5的凸起与外壳4的通槽边缘相互挤压，限制压头底座5在XOY平面内继续平移或旋转，从而避免聚合物光纤结9的剪切破坏。
这样形成超限保护结构，能够在外部三维力下压和剪切过程中限位下压和剪切的下限，防止下压和剪切过多导致弹性柱8上的聚合物光纤3被压坏。
底板1上开设有通孔10，螺钉穿过通孔10后连接到外壳4底部的螺纹孔中，从而将外壳4固定到底板1上。
每根聚合物光纤3的一端均连接到光源12，另一端均连接到光探测器13，光探测器13连接到计算机14。光源12发出光束，经聚合物光纤3传导后被光探测器13接收，由计算机14采集光探测器13的光强。
具体实施中，为方便传感器固定在其他装置上，如机器人手指上，底板4的反面预留两个螺纹孔6用以固定。
除聚合物光纤3和弹性柱8外，其他零件均为金属质地，由数控机床CNC机械加工制作而成。
图6-图8展示了将具有结9的聚合物光纤3布置在底板1上的制作方法：
S1、底板1被放置在一个底板扩大板7中，方便聚合物光纤3的放置和固定。
S2、底板1上预留三个浅坑，沿圆周等距布置，用以指示弹性柱8的放置位置。
S3、弹性柱8使用橡胶或硅胶等柔软材料，由切割或倒模等方法制作，然后由硅胶胶水粘附于底板1的浅坑中。
S4、包含聚合物光纤结9的一段聚合物光纤由硅胶胶水粘附于弹性柱8上，且使得聚合物光纤结9位于弹性柱8的中心。
S5、保持聚合物光纤3的直线朝向和布置，聚合物光纤3两端的尾段位于底板1上开设的条形槽中，过长的部分被暂时粘贴在底板扩大板7上。
S6、当硅胶胶水固化后，底板扩大板7被移走，各个聚合物光纤3的尾段被弯折后放入底板1上的同一个条形槽中，从条形槽中伸出底板1和光源或者光探测器连接。
S7、随后，如图5中所示，压头底座5、外壳4、压头帽2被依次放置在底板1上。压头底座5与聚合物光纤结9通过硅胶胶水粘连，外壳4与底板1由穿过通孔10的螺丝连接，压头帽5凸起的柱子穿过外壳4的通槽，后由硅胶胶水粘连于压头帽2。
如图9所示，在使用时，基于聚合物光纤结的三维力传感器11中的三根聚合物光纤3分别与光源12和光探测器13相连，光信号传输到计算机14。
通过光探测器13探测获得经三个聚合物光纤3传输的光束的光强，由光强转换为光透过率。其中，光透过率等于当前光强值除以初始光强值。
通过三个光透过率和光透过率与三维力之间的映射关系计算三维力数值，包括摩擦力Fx、Fy和压力Fz。其中，光透过率与三维力之间的映射关系由机器学习方法生成的回归拟合模型所得。
外部三维力施加到压头上，通过压头施加到弹性柱8和聚合物光纤3上，尤其是聚合物光纤3的聚合物光纤结9上，使聚合物光纤结9和弹性柱8产生压缩和剪切形变，造成经过聚合物光纤3中的光束的光透过率改变。
如图10所示，具体实施中，三维力传感器11在使用前需进行标定，以获得光透过率与三维力的映射关系，从而在实际使用中进行三维力解耦，得到摩擦力Fx、Fy和压力Fz的具体数值。标定过程仅需进行一次。标定的流程包括在传感器11上施加一系列的力(Fx,Fy,Fz)，并记录对应的光透过率(S1,S2,S3)，随后将这些数据导入机器学习程序中进行回归模型的计算，拟合得出光透过率和力的映射模型f:S→F。在实际使用中，光透过率(S1,S2,S3)随外力改变，通过映射模型f计算出三维力(Fx,Fy,Fz)。
图11展示的是一组基于聚合物光纤结的三维力传感器11在工作时的数据记录。在每一个瞬间，计算机记录和显示三根聚合物光纤3的光透过率(S1,S2,S3)，并实时计算和显示三维力(Fx,Fy,Fz)的数值。
Claims (6)
1.一种基于聚合物光纤结的三维力传感器，其特征在于：主体结构包括底板(1)、弹性柱(8)、压头和三根聚合物光纤(3)；底板(1)上设置有三个相互间隔布置的弹性柱(8)，弹性柱(8)上设置用于感知外部三维力的压头，每个弹性柱(8)上面布置一根聚合物光纤(3)，且被压在弹性柱(8)和压头之间；
所述的聚合物光纤(3)上设有聚合物光纤结(9)，聚合物光纤结(9)位于弹性柱(8)和压头之间，聚合物光纤结(9)是由聚合物光纤(3)打结形成。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结的三维力传感器，其特征在于：还包括外壳(4)，压头由压头帽(2)和压头底座(5)组成，压头底座(5)布置在三个弹性柱(8)上面，外壳(4)位于压头底座(5)上方且固定连接到底板(1)，压头帽(2)位于外壳(4)上方；压头底座(5)上端设有凸起，外壳(4)上开设有通槽，压头底座(5)的凸起穿设过外壳(4)上的通槽后和压头帽(2)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于聚合物光纤结的三维力传感器，其特征在于：所述的底板(1)上开设有通孔(10)，螺钉穿过通孔(10)后连接到外壳(4)底部的螺纹孔中。
4.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结的三维力传感器，其特征在于：每根聚合物光纤(3)的一端均连接到光源(12)，另一端均连接到光探测器(13)，光探测器(13)连接到计算机(14)。
5.应用于权利要求1-4任一所述三维力传感器的一种三维力检测方法，其特征在于：通过光探测器(13)探测获得经三个聚合物光纤(3)传输过来的光束的光强，由光强转换为光透过率，通过三个光透过率共同来计算三维力大小。
6.根据权利要求5所述的一种三维力检测方法，其特征在于：
将三个光透过率输入到通过事先由机器学习方法生成的回归拟合模型所得的光透过率与三维力之间的映射关系中，实时计算出三维力数值，包括摩擦力Fx、Fy和压力Fz。
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