楊濠琨,尤 賀,賀 靜,韓笑笑,張錦龍

(1.河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 物理與電子國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,河南 開封 475000；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,北京 100876)

1 引 言

近些年來,隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,它的用途已經(jīng)發(fā)展到各行各業(yè),如何使機(jī)器人具備類似于人類的智能行為已成為一大研究熱點(diǎn)[1]。當(dāng)前,特種機(jī)器人的發(fā)展逐步興起,如微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人、核電站救災(zāi)機(jī)器人、地震救援機(jī)器人、消防機(jī)器人等[2-3],這對機(jī)器人搭載的傳感器在特殊環(huán)境下的適用性、適應(yīng)性提出了更新、更高要求。觸覺是機(jī)器人獲得環(huán)境信息的一種重要形式,其主要目的是通過機(jī)器人與對象、環(huán)境相互作用時(shí)的一系列物理特征量進(jìn)行檢測,獲取對象與環(huán)境信息或完成某種作業(yè)任務(wù),是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境進(jìn)行直接作用的重要媒介[4-5]。機(jī)器人觸覺系統(tǒng)主要采用力傳感器、溫度傳感器和磁傳感器等[6-8]。將柔性和可變形結(jié)構(gòu)集成到機(jī)器人系統(tǒng)中已經(jīng)成為一種趨勢。軟體機(jī)器人有潛力被用于操縱脆弱的物體、復(fù)雜的環(huán)境運(yùn)動(dòng)和人類服務(wù)[9-10]。一些研究利用非接觸式外部設(shè)備,如立體攝像機(jī)和激光雷達(dá)來重建三維表面[11],但是這些敏感元件以弱電為傳感信號(hào),存在著信號(hào)易受電磁干擾、溫度零漂、無法正常工作于大范圍溫度波動(dòng)的環(huán)境、體積較大、難以與諸如微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人微小的手術(shù)臂融合等實(shí)際問題。

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖布拉格(FBG)被廣泛用于傳感領(lǐng)域[12]。由于其具有無電磁干擾(EMI)、靈敏度高、傳輸帶寬大、體積小、絕對測量、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)[13-15],被國內(nèi)外學(xué)者作為一種新型的柔性觸覺傳感元件。山東大學(xué)Zhao等[16]人提出了一種光纖光柵仿生晶須陣列,通過對晶須彎曲變化程度的測量來獲得物體的距離信息,對物體形狀的感知有很大局限性。韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院Heo等[17]人將FBG嵌入到中心帶有凸起結(jié)構(gòu)的PDMS基地中作為傳感單元,構(gòu)建出一種大面積的觸角傳感器,感知力的靈敏度為0.03 mm/N,但是傳感單元的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,組裝難度大。以上研究為光纖傳感的應(yīng)用拓寬了基礎(chǔ),但是對物體的整體形狀感知方面仍欠缺研究,特別是在核電站、消防救災(zāi)等高磁場高電壓的場景。

基于上述問題,本文利用FBG作為傳感單元,結(jié)合柔性硅膠作為感知基底,設(shè)計(jì)了一種可用于機(jī)器人觸手感知物體表面形狀的傳感器。

2 傳感原理

FBG傳感技術(shù)以光波為載體,光纖為傳輸介質(zhì),利用摻雜光纖的光敏特性,通過FBG周期和折射率的變化引起的中心波長的偏移量來感知外界待測參數(shù)的變化情況從而實(shí)現(xiàn)傳感[12]。FBG的傳感原理如圖1所示,類似于高反射窄帶光反射鏡,反射一種波長并透射其他所有波長。根據(jù)光纖耦合理論,FBG的中心反射波長可表示為:

λB=2neffΛ

(1)

式中,neff為有效折射率;Λ為光柵的周期。光柵的周期和有效折射率受外界的溫度、應(yīng)變的影響?？杀硎緸?

ΔλB=2neffΔΛ+2Δneffλ

=[(1-pe)ε+(α+ξ)ΔT]λB

(2)

式中,ΔλB為FBG中心波長偏移量;pe為FBG的有效彈光系數(shù);ε為FBG產(chǎn)生的應(yīng)變;α為光纖的熱膨脹系數(shù);ξ為光纖的熱光系數(shù)。

假設(shè)外界溫度恒定,在外力作用下,那么FBG的波長漂移可表示為:

ΔλB=(1-pe)ελB

(3)

對一段長度為L,厚度為h的光纖微元,在純彎曲變形條件下,結(jié)構(gòu)微元彎曲內(nèi)側(cè)受到壓縮而縮短,彎曲外側(cè)受到拉力而伸長,在壓縮與伸長之間,有一層的長度始終不變,一般稱之為應(yīng)變中性層,如圖1所示,其長度保持不變。因此可以利用中性層的曲率來表示微元的形狀變化[18]。

圖1 彎曲時(shí)的結(jié)構(gòu)微元變形時(shí)示意圖

由圖1可知:

L=rθ

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由上式可得:

(9)

由式(9)可知,對于確定的FBG而言,pe、h和λB均為常量值,所以曲率k和波長漂移量成線性關(guān)系,只要測得FBG測量點(diǎn)的波長漂移量,就可以得到相應(yīng)的彎曲曲率。

3 重構(gòu)算法

假定三段弧的圓心O1的坐標(biāo)為(x1、y1),O2的坐標(biāo)為(0、0),O3的坐標(biāo)為(x3、y3)；其相應(yīng)的彎曲半徑分別為:r1、r2、r3。則在坐標(biāo)系中O1和O3的坐標(biāo)可以表示為:

(10)

(11)

弧端點(diǎn)A、B、C、D的坐標(biāo)可以表示為:

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

4 傳感器的設(shè)計(jì)與制作

4.1 傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器的尺寸近似于成年人手掌的大小為120 mm×120 mm,厚度為4 mm；材質(zhì)為甲基乙烯基硅橡膠,這種材料具有良好的彈性,可以被拉伸很多次后恢復(fù)到初始狀態(tài),同時(shí)硅膠可以在一定程度上隔絕周圍溫度對FBG的影響。傳感器采用波分復(fù)用的形式,每根光纖上均勻分布三個(gè)FBG,在硅膠片中均勻植入三根光纖,每根光柵的間距為3 cm,植入深度為1 mm,構(gòu)成3×3的傳感網(wǎng)絡(luò),同一列的三個(gè)FBG的參數(shù)相同；為了減小誤差測量,使用柔性傳感器植入1 mm的一側(cè)貼近被測物體。FBG柔性形狀感知傳感器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 FBG柔性形狀傳感器設(shè)計(jì)圖

此傳感器中選用最為常見的柵區(qū)長度為10 mm的光柵,光柵之間的間距為3 cm,則此時(shí)傳感器的空間分辨率為3 cm,可通過控制光纖之間的間距及光柵的長度來調(diào)節(jié)柔性傳感器空間分辨率的大小以適應(yīng)不同的情景。

對于一段純彎曲狀態(tài)下的柔性傳感器,由于光纖直徑極小且被固定在硅膠內(nèi),如圖4所示。

圖4 柔性傳感器自由狀態(tài)及彎曲橫截面

可知:

L=r·θ

(19)

LCD=(r-h)·θ

(20)

ΔLFBG=L-LCD=h·θ

(21)

(22)

ΔλB∝2neff·ΔLFBG

(23)

即:

(24)

在式(24)中,對于確定的純彎曲模型LCD的長度為常數(shù),h為植入的光纖距離柔性傳感器微元中性面的距離,H1、H2為植入的光纖距離上下表面的距離,由于彎曲半徑r?h,所以在確定的曲率下ΔλB與H1-H2成正相關(guān),因此可以通過改變H1-H2來調(diào)控柔性觸感的靈敏度。

4.2 傳感器的制作

本實(shí)驗(yàn)采用無粘結(jié)劑的方式對植入的光纖進(jìn)行固定,避免了粘結(jié)劑對柔性傳感器性能的影響。通過3D打印制作所需規(guī)格的模具,然后倒入硅膠溶液至其厚度為3 mm,然后把已被酒精棉輕柔擦拭干凈的光纖光柵,按上述分布形式拉直平行放置于硅膠溶液表面,形成3×3的傳感網(wǎng)絡(luò),然后繼續(xù)倒入硅膠溶液至其厚度為4 mm。最后把制作的柔性傳感器固化24 h后,進(jìn)行脫模處理。光柵植入傳感器的中間,這樣既可以保證傳感器的柔韌度又可以保護(hù)植入的光柵不容易被損壞。由于裸光纖的直徑僅為0.125 mm,忽略其對傳感器厚度的影響。制作的傳感器樣品實(shí)物如圖5所示。

圖5 FBG柔性形狀傳感器實(shí)物圖

4.3 傳感器標(biāo)定

由于傳感器中同一列中的FBG參數(shù)相同,即FBG1、FBG4和FBG7參數(shù)相同,FBG2、FBG5和FBG8參數(shù)相同,FBG3、FBG6和FBG9參數(shù)相同,所以只對一根光纖上的三個(gè)FBG進(jìn)行標(biāo)定即可。在恒溫條件下,用曲率分別為:0 m-1、5 m-1、11.111 m-1、14.285 m-1、20 m-1、33.333 m-1的標(biāo)準(zhǔn)曲率標(biāo)定塊對光纖上的三個(gè)光柵進(jìn)行標(biāo)定,使傳感器緊密貼合在不同曲率的標(biāo)定塊上,由于光柵被固定在硅膠里面,光柵將隨硅膠的彎曲而彎曲,如圖6所示。

圖6 FBG柔性傳感器曲率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了減小誤差的影響,每個(gè)FBG在同一標(biāo)準(zhǔn)曲率標(biāo)定塊下標(biāo)定五次,取其中心波長漂移量的平均數(shù)作為每一個(gè)曲率下的標(biāo)定數(shù)據(jù)。三個(gè)光柵的編號(hào)分別為FBG1、FBG2、FBG3,其中心波長分別為:1534.462、1540.688、1545.732。三個(gè)光柵在不同曲率下的波長漂移如圖7所示。

圖8為三個(gè)FBG的波長漂移量與曲率的關(guān)系,由圖可知曲率越大對應(yīng)的光柵的中心波長漂移量越大,兩者之間成線性關(guān)系,R2為FBG的波長漂移量與彎曲曲率的線性相關(guān)度,R2≠1 的原因可能是由于植入硅膠的影響及測量過程中產(chǎn)生的誤差。

圖8 FBG的波長漂移量與彎曲曲率的關(guān)系

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證柔性傳感器的性能,對已知規(guī)格的物體進(jìn)行檢測。本次采用的被測物理是半徑為6 cm的圓柱面和球面,把傳感器放在被測物體的表面,使傳感器與被測表面緊密貼合,然后通過9個(gè)FBG的波長變化得到相應(yīng)的每個(gè)點(diǎn)的曲率值,然后根據(jù)曲面重構(gòu)算法得到其曲面形狀。被測物體和傳感器檢測到的形狀如圖9所示。

6 結(jié) 論

本文提出了一種基于FBG柔性的用于解決智能機(jī)器人形狀感知的方法,采用無粘結(jié)劑的方式把FBG植入到柔性硅膠中,保證了傳感器的靈敏度,同時(shí)又使傳感器不易損壞,通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),證明了傳感器的有效性,其靈敏度為65.822 pm/m-1,空間分辨率為3 cm,測量誤差在2.9 %左右?；谒岢龅脑O(shè)計(jì)框架,可以將此傳感器集成于機(jī)器人的機(jī)械臂等位置用于改善與環(huán)境的交互作用,比如在醫(yī)療,災(zāi)難救援等領(lǐng)域。對于不同的應(yīng)用場景,可以通過改變植入光纖的密度、植入光柵的長度以及植入的深度來調(diào)控柔性傳感器的空間分辨率和靈敏度。但是由于光纖本身所固有的剛性,同時(shí)傳感器尺寸比較小,所提出的傳感器設(shè)計(jì)方式對重構(gòu)復(fù)雜的形狀能力有限。在以后的研究中,我們將探索優(yōu)化的方案來解決復(fù)雜變形,或者設(shè)計(jì)特定光柵布局來檢測具體的形狀。我們還希望通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等方式來提高測量的精度。