CN116852331A - 一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器，沿光纤的延伸方向，在致动关节处多芯光纤的包层中设有多个凹槽组，实现光信号的泄漏，且各凹槽均填充混合材料，混合材料中的光热转化材料吸收相邻纤芯组泄漏的光产生热，再利用变形材料与光纤包层材料热膨胀率的差别产生形变，从而使光纤致动器能够在三维空间内发生形变，实现光纤致动器在三维空间的运动控制，增强了运动能力，适用于作为微型软体机械臂。相对于现有的光波导型致动器，本发明提供的致动器具有更高的运动自由度，提高了致动器的灵活性，拓展了致动器的应用场景，可作为微型软体机械臂，可应用于仿生学、医疗和智能机械等领域。
Description
技术领域
本发明属于光致动器领域，更具体地，涉及一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器。
背景技术
微型软体机器人是一类可控的、体积微小的智能机械，可以进入狭小空间工作，并具有在恶劣条件下工作的潜力，在仿生学、医疗和智能机械等领域都有重要作用。为了给机器人运动提供能量，通常会使用外加电场、磁场、光场、声场和化学势等方式，形成了各类致动器。而光场由于具有速度快、响应快的优势，受到广泛关注。
目前，光致动器的主要类型有外加光场型和光波导型。在现有的研究中，绝大多数光致动器都是利用外加光场的方式进行控制的，此类光致动器要求光源与致动器之间存在直线光路，在容易被遮挡、长距离、环境吸收强、干扰大的场景下不利于致动器的使用，受到了很大限制。但光波导型致动器由于利用了波导进行光的传输，可以克服上述缺点，应用场景更加广泛。
但现有的光波导型致动器，其运动往往被限制于二维平面内，自由度低。这就会导致光致动器的运动不够灵活，不能完成复杂的工作，使致动器的使用场景被大大压缩。
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多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器，能够克服现有光波导型致动器运动自由度的限制缺陷，提升光波导型致动器的灵活性。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器，包括：
光信号传导区，包括第一纤芯组以及依次包围在所述第一纤芯组外侧的第一包层和涂覆层；
致动关节，连接所述信号传导区的输出端，包括第二纤芯组以及依次包围在所述第二纤芯组外侧的第二包层；沿光纤的延伸方向，在所述第二包层中设有多个凹槽组，各凹槽组包括至少三个开口方向不同的凹槽，且各凹槽均填充混合材料；所述混合材料包括变形材料与光热转换材料，且所述的变形材料热膨胀系数与光纤纤芯材料的热膨胀系数不同；
致动臂，连接所述致动关节的输出端，包括第三纤芯组以及依次包围在所述第三纤芯组外侧的第三包层。
按照本发明的第二方面，提供了一种软体机器人，包括如第一方面所述的致动器。
按照本发明的第三方面，提供了一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器的控制方法，应用于如第一方面所述的致动器，包括：
将第二纤芯组中与凹槽底部相邻的各纤芯对应至与其距离最近的凹槽；
将光信号通入第一纤芯组中的目标纤芯；其中所述目标纤芯与目标变形区域所在的凹槽对应的纤芯相连接；当光信号被传送至致动关节时，在与其相邻的凹槽处发生泄漏并被所述光热转换材料吸收后产生热量，使所述变形材料受热后发生膨胀，从而实现致动关节的弯曲。
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，能够取得下列有益效果：
本发明提供的基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器，从致动器本身结构设计等方面进行了创新，沿光纤的延伸方向，在致动关节处多芯光纤的包层中设有多个凹槽组，实现光信号的泄漏，且各凹槽均填充混合材料，混合材料中的光热转化材料吸收相邻纤芯组泄漏的光产生热，再利用变形材料与光纤包层材料热膨胀率的差别产生形变，从而使光纤致动器能够在三维空间内发生形变；从而利用铰链式分布的变形材料完成光波导型致动器在三维空间中的运动，实现了光纤致动器在三维空间的运动控制，增强了运动能力，适用于作为微型软体机械臂。相对于现有的光波导型致动器，本发明提供的致动器具有更高的运动自由度，提高了致动器的灵活性，拓展了致动器的应用场景，可作为微型软体机械臂，可应用于仿生学、医疗和智能机械等领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的光热转换材料与变形材料的分散系示意图；
图3为多芯光纤的剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器的结构示意图之二；
图5为本发明实施例提供的致动关节的截面及纤芯分组示意图；
图6为本发明实施例提供致动关节的示意图；
图7为本发明实施例提供的致动关节的侧视图；
图8为本发明实施例提供的基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器工作原理示意图。
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。
本发明实施例提供一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器，如图1-3所示，包括：
光信号传导区1，包括第一纤芯组以及依次包围在所述第一纤芯组外侧的第一包层和涂覆层；
致动关节2，连接所述信号传导区的输出端，包括第二纤芯组以及依次包围在所述第二纤芯组外侧的第二包层；沿光纤的延伸方向，在所述第二包层中设有多个凹槽组，各凹槽组包括至少三个开口方向不同的凹槽，且各凹槽均填充混合材料4；所述混合材料包括变形材料41与光热转换材料42，且所述的变形材料的热膨胀系数与光纤纤芯材料的热膨胀系数不同；
致动臂3，连接所述致动关节的输出端，包括第三纤芯组以及依次包围在所述第三纤芯组外侧的第三包层。
具体地，本发明提供的致动器，包括一条多芯光纤和镶嵌在光纤包层中的凹槽的变形材料，多芯光纤的结构如图3所示，如图4所示，多芯光纤被分为光信号传导区和致动区。
光信号传导区的另一端与光源5相连。
致动区的涂覆层被除去，致动区包括致动关节和致动臂，在致动关节的包层上刻划凹槽。
光热转换材料与变形材料的混合物被镶嵌在凹槽中。
具体地，将变形材料的溶液与光热转换材料混合，使得光热转换材料均匀分布在变形材料的溶液中，并涂敷在致动区的凹槽中，放入恒温箱固化。
该致动器的工作原理为：当纤芯将光信号传输至致动关节处时，在与所述纤芯相邻的凹槽内发生泄漏，光热转换材料将泄露的光信号吸收，并将光信号转换成热量，使得变形材料受热膨胀；由于变形材料的热膨胀系数与多芯光纤内材料的热膨胀系数不同，利用热膨胀的差异实现致动器的弯曲运动。
优选地，所述的变形材料为高分子材料、金属材料、负热膨胀材料中的任一种；
其中，高分子材料为PDMS、PE、PP、尼龙等；金属材料为锌、银等；
所述光热转换材料为金属基纳米材料、碳纳米材料、聚合纳米材料或金属氧硫族纳米材料中的任一种；
其中，金属基纳米材料为金、银纳米棒、钯纳米片等；碳纳米材料为碳点、石墨烯、碳纳米管、炭黑等；聚合纳米材料为聚苯胺、聚多巴胺等；金属氧硫族纳米材料为CuS、W18O49、Bi2Se3等。
优选地，所述凹槽组中的凹槽沿光纤的延伸方向均匀分布，且所述凹槽组中的凹槽底部在光纤剖面圆周上的投影均匀分布在所述剖面圆周上。
优选地，所述凹槽组中各凹槽的形状相同。
优选地，所述凹槽组中各凹槽的大小相同。
优选地，所述凹槽组中各凹槽的深度相同。
进一步地，各凹槽组之间，形状、大小或深度可相同，也可不同。
本发明实施例提供一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器的控制方法，应用于如上述任一实施例所述的致动器，包括：
将第二纤芯组中与凹槽底部相邻的各纤芯对应至与其距离最近的凹槽；
将光信号通入第一纤芯组中的目标纤芯；其中所述目标纤芯与目标变形区域所在的凹槽对应的纤芯相连接；当光信号被传送至致动关节时，在与其相邻的凹槽处发生泄漏并被所述光热转换材料吸收后产生热量，使所述变形材料受热后发生膨胀，从而实现致动关节的弯曲。
下面以一个具体的例子对本发明提供的基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器机器控制方法进行进一步说明。
本实施例的光波导型致动器包括一条七芯光纤和镶嵌在各凹槽中的变形材料。
如图5-7所示，沿光纤的延伸方向，在所述第二包层中设有多个凹槽组，各凹槽组包括三个开口方向不同的凹槽，且各凹槽均填充混合材料；各凹槽组中各凹槽的形状、大小和深度均相同。
在对该致动器进行控制时，首先，将第二纤芯组中与凹槽底部相邻的各纤芯对应至与其距离最近的凹槽；如图5所示，多芯光纤被划分为a、b、c三组，每组均包括2根纤芯(在每组纤芯的外侧包层中均匀地、交错地、等间距地刻划相同深度的凹槽，有利于光信号的泄漏)。
光源将光信号输入至传导区的一组纤芯中，纤芯把光信号输送到致动关节处，并在相邻的凹槽内发生泄漏；泄漏的光被变形材料中的光热转换材料吸收，将光信号转换成热信号，变形材料受热后发生膨胀；由于其余纤芯组的变形材料没有接收到光信号，因此没有发生膨胀，热膨胀的不均匀使得致动关节向一个方向弯曲，多组微小弯曲在同一侧重复累积，从而实现宏观上的弯曲致动。
假设目标变形区域所在的凹槽对应的纤芯为a组纤芯，将光信号通入第一纤芯组中与a组纤芯连接的纤芯，如图8所示，当光信号被传送至致动关节时，在与其相邻的凹槽处发生泄漏并被所述光热转换材料吸收后产生热量，使所述变形材料受热后发生膨胀，从而实现致动关节的弯曲。
可以理解的是，对于目标变形区域对应的纤芯，可通过控制通光的功率、通光的纤芯数量，实现更多方向的控制(全方向控制)，实现操控的自由度。
本发明实施例提供一种软体机器人，包括如上述任一实施例所述的致动器。
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 (8)
1.一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器，其特征在于，包括：
光信号传导区，包括第一纤芯组以及依次包围在所述第一纤芯组外侧的第一包层和涂覆层；
致动关节，连接所述信号传导区的输出端，包括第二纤芯组以及依次包围在所述第二纤芯组外侧的第二包层；沿光纤的延伸方向，在所述第二包层中设有多个凹槽组，各凹槽组包括至少三个开口方向不同的凹槽，且各凹槽均填充混合材料；所述混合材料包括变形材料与光热转换材料，且所述的变形材料热膨胀系数与光纤纤芯材料的热膨胀系数不同；
致动臂，连接所述致动关节的输出端，包括第三纤芯组以及依次包围在所述第三纤芯组外侧的第三包层。
2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述凹槽组中的凹槽沿光纤的延伸方向均匀分布，且所述凹槽组中的凹槽底部在光纤剖面圆周上的投影均匀分布在所述剖面圆周上。
3.如权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述凹槽组中各凹槽的形状相同。
4.如权利要求3所述的致动器，其特征在于，所述凹槽组中各凹槽的大小相同。
5.如权利要求3或4所述的致动器，其特征在于，所述凹槽组中各凹槽的深度相同。
6.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述的变形材料为高分子材料、金属材料、负热膨胀材料中的任一种；
所述光热转换材料为金属基纳米材料、碳纳米材料、聚合纳米材料或金属氧硫族纳米材料中的任一种。
7.一种软体机器人，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的致动器。
8.一种基于多芯光纤的铰链式光波导型软体致动器的控制方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的致动器，其特征在于，包括：
将第二纤芯组中与凹槽底部相邻的各纤芯对应至与其距离最近的凹槽；
将光信号通入第一纤芯组中的目标纤芯；其中所述目标纤芯与目标变形区域所在的凹槽对应的纤芯相连接；当光信号被传送至致动关节时，在与其相邻的凹槽处发生泄漏并被所述光热转换材料吸收后产生热量，使所述变形材料受热后发生膨胀，从而实现致动关节的弯曲。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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