光纤传感器的制作方法

专利名称：光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于利用光纤来检测应力的光纤传感器，该光纤中结 合有用于反射具有特定波长的光束的多个光栅。
背景技术：
在某些操纵器应用中，操纵器抓取物体并且对物体执行某种类型 的工作。此时，如果操纵器向物体施加过度的抓取力，则物体往往 遭到破坏。相反地，如果操纵器没有向物体施加足够的抓取力，则 物体可能从操纵器跌落。
为了阻止对物体的破坏或稳定地拿住物体，现有技术中已经尝试 将操纵器与传感器进行组合，以检测正在由操纵器抓取的物体的被 抓取状态。
一种此类的传感器包括触觉传感器，其用于将来自物体 的垂直应力检测为操纵器的抓取力，并且将来自物体的剪切应力检
测为操纵器的滑动(参见，例如，日本公开专利申请NO. 2006-010407 )。
上述类型的一种触觉传感器是称为"FBG (光纤布拉格光栅)传 感器"的光纤传感器，其具有布置在光纤纤芯中的多个光栅(衍射 光栅)，该光纤嵌入在片体(sheetbody)中，如日本公开专利申请 NO. 2002-131023和日本公开专利申请NO. 2002-071323所公开。当 响应于从物体向光栅施加的应力，在光栅中显现出应变时，造成由 光栅反射的光束的波长改变。基于改变的波长，光纤传感器检测到 在光栅中显现的应变，并且还检测出从物体施力口的应力。
然而，在日本公开专利申请NO. 2002-131023以及在日本公开专 利申请NO. 2002-071323中公开的光纤传感器的问题在于，如果由操 纵器抓取的物体具有不同的形状或在不同的位置处与光纤接触，则 将在光栅上产生不同的应力分布，使得光纤传感器难以准确地检测施力口的应力。
图29是示意性示图，其示出在以垂直于光纤2延伸方向的方向 上对光栅1施加应力之前以及之后，布置在光纤2中的光栅1。当应 力F基本上均匀地施加到光栅1时，光栅1的光栅空间(grating space ) 基本上均匀地扩张。此时，仅造成由光斥册1反射的光束的波长改变， 如图30中所示。
然而，如果操纵器抓取具有不同形状的物体或在不同的角度抓取 物体，则应力往往非均匀地施加到光4册1。此时，如图31中所示， 光栅1的光栅空间非均匀地扩张，即，光栅空间在不同的位置处变 化。作为结果，如图32中所示，光栅1根据其不同的扩张光栅空间 来反射不同波长的光束。
根据日本公开专利申请NO. 2005-134199中所建议的解决方案， 光纤被插入到固定层中，该固定层被弹性片夹在中间，制成FBG传 感器部件。FBG传感器部件具有末端表面和反向末端表面，其中末 端表面通过粘合层与待测物体保持紧密接触，而在反向末端表面上 布置有压板，緩冲层置于它们之间。
然而，即使利用日本公开专利申请NO. 2005-134199所公开的结 构，如果由操纵器所抓取的物体具有不同的形状或在不同的位置接 触光纤，则在压板并因此在光栅上产生不同的应力分布。因此，不 太容易确定所施加应力的精确大小，或换句话说，难以获得足够高 级别的测量精度。

发明内容
本发明的总体目的是提供一种高度耐用和可靠的光纤传感器。
本发明的主要目的是提供一种光纤传感器，其用作用于同时检测 乂人物体施加的垂直应力和剪切应力的触觉传感器。
本发明的另一个目的是提供一种光纤传感器，其具有用于测量应 力的提升级别的测量精度。
根据本发明的一个方面， 一种光纤传感器，包括多个剪切应力传感器部件，该剪切应力传感器部件包括各自的光纤和用于反射具 有预定波长的光束的多个光栅，光栅布置在光纤中并且沿平行于剪
切应力从物体施加到剪切应力传感器部件的方向的平面排列；以及
垂直应力传感器部件，其包括光纤和用于反射具有预定波长的光束 的多个光栅，光栅布置在光纤中并且沿平行于垂直应力从物体施加 到垂直应力传感器部件的方向的平面排列。
由此构建的光纤传感器用作触觉传感器，并能够基于来自光纤的 光信号独立地并且同时地才企测来自物体的剪切应力和垂直应力。由 于使用来自光纤的光信号，所以光纤传感器不受电磁噪声的影响。 由于光纤传感器不太可能漏电，所以光纤传感器是高度耐用且可靠 的，并且可以高度准确地检测剪切应力和垂直应力。
剪切应力传感器部件和垂直应力传感器部件的每个应该优选地 包括柔性片体。
上延伸，其中该平面平行于剪切应力从物体施加到剪切应力传感器 部件的方向。
可选地，剪切应力传感器部件的光栅可以布置在平面中的多个不 同位置中，其中该平面平行于剪切应力从物体施加到剪切应力传感 器部件的方向，并且光栅可以反射具有不同波长的各个光束。
进一步可选地，每个剪切应力传感器部件可以包括两个相邻光
方向和移位量，来4企测剪切应力的方向和大小。
垂直应力传感器部件的光栅可以在平面中的多个不同位置中布 置，该平面垂直于垂直应力^v物体施加到垂直应力传感器部件的方 向，并且光栅可以反射具有不同波长的各个光束。
根据本发明的另一方面， 一种光纤传感器，其包括应力传感器 部件，该应力传感器部件包括光纤和用于反射具有预定波长的光束 的多个光栅，光栅被布置在光纤中；以及，应力方向转换装置，其 用于将不同于光纤纵轴的所施加应力的方向转换成平行于光纤纵轴
6的方向，并且以转换后的方向向光4册传递应力。
当光纤由应力方向转换装置拉长时，布置在光纤中的光栅被扩 张，从而光栅空间基本上是均匀的。这是因为光纤是由结合到光纤 的应力方向转换装置的接头拉长的，并且施加的应力基本上均勻地 分布到光纤。
因此在扩张光栅后，光栅空间基本上是均勻的。由于在扩张光栅 后观察到由光栅反射的光束的波长的移位，因此可以基于反射的光 束的波长的移位来高度精确地检测作用于光纤上的应力。
用于将不同于光纤纵轴的所施加应力的方向转换成平行于光纤 纵轴的方向的应力方向转换装置跨光纤中的每个光栅而安装到光纤 上。施加的应力分布并且施加到光纤和应力方向转换装置之间的接头。
由于在扩张光栅后，光栅空间基本上是均匀的，所以在光栅被扩 张后观察到由光栅反射的光束的波长的移位。因此，可以基于反射 的光束的波长的移位来高度精确地检测作用于光纤上的应力。
应力方向转换装置包括平直部分，其平行于光纤纵轴而延伸，以 及应力传递件，其从平直部分延伸到光纤。
优选地，平直部分具有比应力传递件更高的弹性模量。当施加应 力时，平直部分初始被拉长。接着，随着平直部分被拉长，应力传 递件在没有被弯曲的情况下扩展。因此，应力传递件可以轻易地拉
长光，二 -、萄、'、"，，一、，，、、.-、、、、，，.，，、甬
过下面的描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得更加明显。


图1是结合有根据本发明第一实施方式的光纤传感器的机器人
系统的部分框图形式的示意图2是示出FBG传感器的操作原理的透视图；图3是示出施加到FBG传感器的光的波长和由FBG传感器的光
栅所反射的光束的波长之间关系的示图4是FBG传感器检测剪切应力的原理的示意图5是如图4中所示应力施加前和施加后，由FBG传感器的光
栅所反射的光束的波长之间关系的示图6是FBG传感器检测剪切应力的原理的示意图7是如图6中所示应力施加前和施加后，由FBG传感器的光
栅所反射的光束的波长之间关系的示图8是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的分解透视图； 图9是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的X方向剪切应
力传感器部件和Y方向剪切应力传感器部件的俯视图IO是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的Z方向应力传
感器部件的截面图11是根据另一实施方式的Z方向应力传感器部件的透视图，
该Z方向应力传感器部件使用在根据本发明第一实施方式的光纤传
感器中；
图12是根据本发明第 一 实施方式的光纤传感器的堆叠组件的透 视图13是根据本发明第二实施方式的光纤传感器的堆叠组件的透 视图14是结合有根据本发明第一实施方式的光纤传感器形式的触 觉传感器的机器人系统的框图15是结合有根据本发明第三实施方式的光纤传感器的机器人 系统的部分框图形式的示意图16是示出FBG传感器的操作原理的透视图17是根据本发明第三实施方式的光纤传感器的分解透视图18是两个弹性元件的透视图19是结合有根据本发明第三实施方式的光纤传感器的机器人 系统的框图；图20是示出当应力施加到弹性元件的平直部分的基本纵向中心
区域时，每个弹性元件如何改变其形状的俯视图21是示出当应力施加到靠近弹性元件的倾斜部分的平直部分
的末端时，每个弹性元件如何改变其形状的俯视图22是示出施加到弹性元件的平直部分、倾斜部分和连接部分
的应力之间关系的俯视图23是具有不同形状的其他弹性元件的透视图24是具有不同形状的另一其他弹性元件的透视图25是具有不同形状的又一其他弹性元件的透视图26是具有不同形状的另一其他弹性元件的透视图27是具有不同形状的另外弹性元件的透视图28是具有不同形状的又一另外弹性元件的透视图29是示出在垂直于光纤延伸方向的方向上向光4册施加应力之
前和之后的光栅的示意图30是示出如何造成图29中所示的光栅所反射的光束的波长改
变的示图31是示出在垂直于光纤延伸方向的方向上向光栅施加应力之 前和之后的光栅的示意图；以及
图32是示出如何造成图31中所示的光栅所反射的光束的波长改 变的示图。
具体实施例方式
将参考附图在下面详细描述根据本发明优选实施方式的光纤传感器。
图1是以部分框图形式示意性示出结合有根据本发明第一实施 方式的光纤传感器(以下也称为"触觉传感器")的机器人系统10。 如图1中所示，机器人系统10包括用于抓取和处理物体12的操 纵器14;分别布置在操纵器14的手臂16a、 16b上的一对触觉传感 器18a、 18b,用于检测由手臂16a、 16b所抓取的物体12的抓取状
9态而同时保持与物体12的接触；触觉传感器控制器20,其用于控制 触觉传感器18a、 18b以获取用作代表物体12的抓取状态的信息的 剪切应力和垂直应力；以及，操纵器控制器22,其用于基于已经由 触觉传感器控制器20所获取的剪切应力和垂直应力来控制操纵器 14。
当手臂16a、 16b抓取物体12时，可以基于已经由触觉传感器 18a、 18b所检测到的剪切应力来检测物体12相对于手臂16a、 16b 的滑动。当手臂16a、 16b抓取物体12时，可以基于已经由触觉传 感器18a、 18b所4企测到的垂直应力来纟全测由手臂16a、 16b施加到 物体12的抓取力。因此，通过根据已经检测到的剪切应力和垂直应 力来控制手臂16a、 16b,机器人系统10能够处理物体12,例如以 合适的抓取力来抓取物体12以及将物体12移位到期望的位置而不 会让物体12跌落。
触觉传感器18a、 18b的每个包括FBG传感器24 (参见图2)。 下面将参考图2来描述FBG传感器24的操作原理。
FBG传感器24包括光纤26，该光纤26具有纤芯28和通过紫外 线形成在纤芯28的相应部分中的多个光栅30A、 30B。在图2中， 所示出的FBG传感器24具有两个彼此隔开的光栅30A、 30B。
如杲假设两个光栅30A、 30B具有各自的光栅周期AA、 Ab并且 纤芯28具有有效折射率neff,则光栅30A、 30B反射具有满足下列等 式(1) 、 (2)的相应波长V、 Xb (布拉格波长)的光束，并且使 具有其他波长的光束穿过。<formula>formula see original document page 10</formula>当具有如图3中所示特定范围的波长X的光施加到光纤26的纤 芯28的入口端时，光纤26从纤芯28的入口端发射具有相应的波长 XA、人b的反射光束，以及从纤芯28的反向出口端发射具有其他波长 的光束。
如图4中所示，当将位于沿光纤26的纵轴的由箭头XI所指示的方向上的剪切应力施加到位于光栅30A、 30B之间的光纤26时， 光栅30A的光栅周期Aa咸小，并且光栅30B的光栅周期Ab増大。 因此，如图5中所示，由光栅30A所反射的光束的波长？^被移位到 短于波长^的波长XA,并且由光栅30B所反射的光束的波长Xb被 移位到长于波长XB的波长XB+ 。
如图6中所示，当将位于沿光纤26的纵轴的由箭头X2所指示 的方向上的剪切应力施加到位于光栅30A、 30B之间的光纤26时， 光栅30A的光栅周期AA增大，并且光栅30B的光栅周期AB减小。 因此，如图7中所示，由光栅3()A所反射的光束的波长XA被移位到 长于波长U的波长人a+,并且由光栅30B所反射的光束的波长Xb被
移位到短于波长^的波长xB-。
因此，可以通过检测由相邻光栅30A、 30B所反射的光束的波长 人a、 ^发生移位的移位方向和移位量来确定施加的剪切应力的方向 和大小。
可以通过检测由光栅30A或30B所反射的光束的波长人a或XB 发生移位的移位量来确定纵向施加到光纤26的应力(即，垂直应力) 的大小。
图8以分解透视图示出了触觉传感器18a、 18b，每个采取在图2 中示出的FBG传感器24的形式。
如图8中所示，触觉传感器18a、 18b中的每一个包括X方向 剪切应力传感器部件32,其用于冲全测沿正交三轴坐标系的X轴方向 施加的剪切应力；Y方向剪切应力传感器部件34,其用于检测沿正 交三轴坐标系的Y轴方向施加的剪切应力；以及Z方向应力传感器 部件3 6,其用于4全测沿正交三轴坐标系的Z轴方向施加的垂直应力。
X方向剪切应力传感器部件32采用片体的形式，其包括具有沿 光纤38的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿X轴方向排列的多个 光栅40的单个光纤38，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件42,光 纤38被包裹在模制的柔性压敏元件42中。光栅40具有彼此不同的 各自光栅周期(参见图2中示出的光栅周期AA、 Ab)。Y方向剪切应力传感器部件34采用片体的形式，其包括具有沿 光纤44的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Y轴方向排列的多个 光栅46的单个光纤44，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件48，光 纤44被包裹在模制的柔性压敏元件48中。光栅46具有彼此不同的 各自光栅周期(参见图2中示出的光栅周期AA、 Ab)。
图9以俯视图示出X方向剪切应力传感器部件32和Y方向剪切 应力传感器部件34。
Z方向应力传感器部件36采用片体的形式，其包括具有沿光纤 50的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Z轴方向排列的多个光栅 52的单个光纤50,以及塑料、树脂等的柔性压敏元件54，光纤50 被包裹在模制的柔性压敏元件54中。光栅52具有彼此不同的各自 光栅周期(参见图2中示出的光栅周期AA、 Ab)。
图IO在沿Y-Z平面做出的横截面中示出Z方向应力传感器部件36。
如图11中所示，Z方向应力传感器部件36可以包括两个光纤 56a、 56b，其被结合为彼此垂直的交错模式，从而光纤56a、 56b中 的光栅52以增加的密度封装在Z方向应力传感器部件36中。
如图12中所示，触觉传感器18a、 18b中的每个可以包括X方 向剪切应力传感器部件32、 Y方向剪切应力传感器部件34以及Z 方向应力传感器部件36的堆叠组件。可选地，根据如图13中所示 的本发明的第二实施方式，触觉传感器18a、 18b中的每个可以包括 剪切应力传感器部件35和Z方向应力传感器部件36的堆叠组件， 其中剪切应力传感器部件35是X方向剪切应力传感器部件32和Y 方向剪切应力传感器部件34的整体组合。
由于触觉传感器18a、 18b采用X方向剪切应力传感器部件32、 Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向应力传感器部件36的柔性 片体的形式，因此触觉传感器18a、 18b可以安装在可以是任意期望 形状的手臂16a、 16b的表面上。
X方向剪切应力传感器部件32、 Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向应力传感器部件36包括各自的单个光纤38、 44和50。然 而，光纤38、 44和50的每个可以包括多个光纤，而这多个光纤包
括光栅。
图14以框图示出结合有上述结构的触觉传感器18a、 18b的机器 人系统10。
如图14中所示，从光源58发射的光通过由光束切换器60以时 间共享(time-sharing)方式选择的半镀4艮镜62a、 62b、 62c之一才是 供给触觉传感器18a、 18b中每个的X方向剪切应力传感器部件32、 Y方向剪切应力传感器部件34或Z方向应力传感器部件36。
光从X方向剪切应力传感器部件32、 Y方向剪切应力传感器部 件34或Z方向应力传感器部件36的一端进入到它们的光纤38、 44 或50(参见图8)。部分光由光—册40、 46或52反射，而剩余的光 则通过光栅40、 46或52到达发送光终端负载(terminator) 64a、 64b 或64c。
由光栅40、 46或52反射的光束由半镀银镜62a、 62b和62c导 向到触觉传感器控制器20的反射光检测器66,其检测并且将光束转 换成电信号。反射光检测器66包括分光镜，其用于分光和检测所应 用的相应波长的光束。乂人X方向剪切应力传感器部件32和Y方向
切应力计算器68，并且从Z方向应力传感器部件36反射的光束转换 而来的电信号被提供给垂直应力计算器70。
基于从X方向剪切应力传感器部件32的光栅40所反射的光束 转换而来的电信号以及根据从相邻光栅40所反射的光束的波长的移 位量和移位方向，剪切应力计算器68计算在对应于相邻光栅40的 位置处施加到X方向剪切应力传感器部件32的剪切应力的大小和方 向，如图5和图7中所示。类似地，基于从Y方向剪切应力传感器 部件34的光栅46所反射的光束转换而来的电信号以及根据从相邻 光栅46所反射的光束的波长的移位量和移位方向，剪切应力计算器 68计算在对应于相邻光栅46的每个位置处施加到Y方向剪切应力传感器部件34的剪切应力的大小和方向。从计算的大小和方向中可 以检测到物体12在X-Y平面中相对于手臂16a、 16b的滑动。
由于光栅40、 46设置在X-Y平面的二维矩阵中，所以剪切应力 计算器68可以基于通过光栅40、 46所4企测到的滑动以及光4册40、 46的位置信息来确定X-Y平面中的滑动分布。
基于从Z方向应力传感器部件36的光栅52所反射的光束转换 而来的电信号以及根据从Z方向应力传感器部件36的每个光栅52 所反射的光束的波长的移位量，垂直应力计算器70计算在对应于光 栅52的每个位置处施加到Z方向应力传感器部件36的垂直应力的 大小。可以从计算的垂直应力的大小来检测在Z轴方向上由手臂 16a、 16b施加到物体12的抓取力。由于光4册52设置在X-Y平面的 二维矩阵中，所以垂直应力计算器70可以基于通过光栅52所检测 到的抓取力以及光栅52的位置信息来确定X-Y平面中的抓取力分 布。
在图14中示出的机器人系统10中，从光源58发射的光从由光 束切换器60以时间共享方式选择的半镀银镜62a、 62b和62c之一 提供给触觉传感器18a、 18b,并且从触觉传感器18a、 18b反射的光 束由反射光4企测器66来4全测。然而，触觉传感器18a、 18b的X方 向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向 应力传感器部件36可以提供有来自三个独立光源的相应光束，并且 来自X方向剪切应力传感器部件32、 Y方向剪切应力传感器部件34 和Z方向应力传感器部件36的反射光束可以由三个独立的反射光检 测器来检测。根据这样的修改，可以同时检测从物体12所施加的剪 切应力和垂直应力。
触觉传感器18a、 18b不限于检测由手臂16a、 16b所抓取的物体 12的抓取状态，而是也可以应用于例如检测物体的表面状态。
以下将详细描述根据本发明第三实施方式的光纤传感器。
图15以部分框图形式示意性示出结合有根据本发明第三实施方 式的光纤传感器的机器人系统110。如图15中所示，机器人系统110
14包括用于抓取和处理物体12的操纵器14;分别布置在操纵器14 的手臂16a、 16b上的一对光纤传感器118a、 118b,用于检测由手臂 16a、 16b所抓取的物体12的抓取状态而同时保持与物体12的接触； 光纤传感器控制器20,其用于控制光纤传感器118a、 118b以获取用 作代表物体12的抓取状态的信息的剪切应力和垂直应力；以及，操 纵器控制器22，其用于基于已经由光纤传感器控制器20所获取的剪 切应力和垂直应力来控制操纵器14。
当手臂16a、 16b抓取物体12时，可以基于由光纤传感器118a、 118b所检测到的剪切应力来检测物体12相对于手臂16a、 16b的滑 动。当手臂16a、 16b抓取物体12时，可以基于已经由光纤传感器 118a、 118b所;险测到的垂直应力来4全测由手臂16a、 16b施加到物体 12的抓取力。因此，通过根据已经检测到的剪切应力和垂直应力来 控制手臂16a、 16b，机器人系统110能够处理物体12,例如以合适 的抓取力来抓取物体12以及将物体12移位到期望的位置而不会让 物体12^失落。
光纤传感器118a、 U8b的每个包括图16中示出的FBG传感器 124。FBG传感器在结构上与图2中示出的FBG传感器24基本相同， 并且FBG传感器124的操作原理也基本上与FBG传感器24的操作 原理相同。因此，省略操作原理的描述。在图16中，FBG传感器 124包括光纤126，该光纤126具有纤芯128和布置在纤芯128 —部 分中的一对光栅130A、 130B。
图17在分解透视图中示出使用图16中示出的FBG传感器124 的光纤传感器118a、 118b的每个。
光纤传感器118a、 118b中的每个包括X方向剪切应力传感器 部件132，其用于4企测沿正交三轴坐标系的X轴方向施加的剪切应 力；Y方向剪切应力传感器部件134,其用于^r测沿正交三轴坐标系 的Y轴方向施加的剪切应力；以及Z方向应力传感器部件136,其 用于纟企测沿正交三轴坐标系的Z轴方向施力口的垂直应力。
X方向剪切应力传感器部件132采用片体的形式，其包括具有沿光纤138的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿X轴方向排列的多 个光栅140的单个光纤138,以及塑料、树脂等的柔性压敏元件142， 光纤138被包裹在模制的柔性压敏元件142中。光栅140具有彼此 不同的各自光栅周期(参见图16中示出的光栅周期AA、 Ab)。
Y方向剪切应力传感器部件134采用片体的形式，其包括具有沿 光纤144的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Y轴方向排列的多 个光栅146的单个光纤144,以及塑料、树脂等的柔性压敏元件148, 光纤144被包裹在模制的柔性压敏元件148中。光栅146具有彼此 不同的各自光栅周期(参见图16中示出的光栅周期AA、 Ab)。
Z方向应力传感器部件136采用片体的形式，其包括具有沿光纤 15 0的纵向以则的间隔布置在其中并且沿Z轴方向排列的多个光 栅152的单个光纤150，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件154，光 纤150被包裹在模制的柔性压敏元件154中。光栅152具有彼此不 同的各自光栅周期(参见图16中示出的光栅周期AA、 AB)。
由于光纤传感器118a、 118b采用X方向剪切应力传感器部件 132、 Y方向剪切应力传感器部件134和Z方向应力传感器部件136 的柔性片体的形式，因此光纤传感器118a、 118b可以安装在可以是 任意期望形状的手臂16a、 16b的表面上。
X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134 和Z方向应力传感器部件136包括各自的单个光纤138、 144和150。 然而，光纤138、 144和150中的每一个可以包4舌多个光纤，而这多 个光纤包括光栅。
用作应力方向转换装置的弹性元件156安装在光纤138、 144、 150上，并且处于各自的光栅140、 146和152之上并跨各自的光栅 140、 146和152。
图18以透视图示出光纤138,例如其上安装有两个弹性元件156。 如图18中所示，每个弹性元件156包括沿平行于光纤138的纵轴延 伸的平直部分158,以及/人平直部分158的相对端延伸到光4册140 的相应端的应力传递件160。应力传递件160包4舌一对倾杀牛部分
16162a、 162b，其连4妄到平直部分158的相应相对端并且倾斜地延伸 到光纤138;以及， 一对接头164a、 164b,连接到相应的倾斜部分 162a、 162b的远端并且围绕着光纤138。倾斜部分162a和接头164a 成角ei倾向于彼此，并且倾斜部分162b和接头164b成等于角91 的角92倾向于;f皮此。
弹性元件156可以通过各种弹性形变材料的任一种制成。优选 地，弹性形变材料包括橡胶或树脂。弹性元件156也可以通过液晶 聚合物、碳纤维增强塑料(CFRP)等制成。优选的是平直部分158 具有比倾斜部分162a、 162b以及接头164a、 164b更高的弹性模量。
安装在其他光纤144、 150上的弹性元件156在结构上与安装在 光纤138上的弹性元件156相同。
图19以框图的形式示出结合有上述结构的光纤传感器118a、 118b的机器人系统110。
如图19中所示，从光源58发射的光通过由光束切换器60以时 间共享方式选择的半镀银镜62a、 62b、 62c之一提供给光纤传感器 118a、 118b的每个的X方向剪切应力传感器部件132、 Y方向剪切 应力传感器部件134或Z方向应力传感器部件136。
光从X方向剪切应力传感器部件132、 Y方向剪切应力传感器部 件134或Z方向应力传感器部件36的一端进入到它们的光纤138、 144或150 (参见图17)。部分光由光栅140、 146或152反射，而 剩余的光则通过光栅140、 146或152到达发送光终端负载64a、 64b 或64c。
由光栅140、 146或152反射的光束由半镀银镜62a、 62b或62c 导向到光纤传感器控制器20的反射光检测器66，其检测并且将光束 转换成电信号。反射光检测器66包括分光镜，其用于分光和检测所 应用的相应波长的光束。从X方向剪切应力传感器部件132和Y方 向剪切应力传感器部件13 4反射的光束转换而来的电信号被提供给 剪切应力计算器178，并且从Z方向应力传感器部件136反射的光束 转换而来的电信号被提供给垂直应力计算器180。基于从X方向剪切应力传感器部件132的光栅140所反射的光 束转换而来的电信号以及根据从相邻光栅140所反射的光束的波长 的移位量和移位方向，剪切应力计算器178计算在对应于相邻光栅 140的位置处施加到X方向剪切应力传感器部件132的剪切应力的 大小和方向，如图5和图7中的情形。类似地，基于从Y方向剪切 应力传感器部件134的光栅140所反射的光束转换而来的电信号以 及根据从相邻光栅146所反射的光束的波长的移位量和移位方向， 剪切应力计算器178计算在对应于相邻光栅146的每个位置处施加 到Y方向剪切应力传感器部件134的剪切应力的大小和方向。,人计 算的大小和方向可以^r测到物体12在X-Y平面中相对于手臂16a、 16b的滑动。
由于光一册140、 146设置在X-Y平面的二维矩阵中，所以剪切应 力计算器178可以基于通过光栅140、 146所检测到的滑动以及光栅 140、 146的位置信息来确定在X-Y平面中的滑动分布。
基于从Z方向应力传感器部件136的光栅152所反射的光束转 换而来的电信号以及根据从Z方向应力传感器部件136的每个光栅 152所反射的光束的波长的移位量，垂直应力计算器180计算在对应 于光栅52的每个位置处施加到Z方向应力传感器部件136的垂直应 力的大小。可以从计算的垂直应力的大小来检测在Z轴方向上由手 臂16a、 16b施加到物体12的抓取力。由于光栅152设置在X-Y平 面的二维矩阵中，所以垂直应力计算器180可以基于通过光栅152 所检测到的抓取力以及光栅152的位置信息来确定X-Y平面中的抓 取力分布。
如图20中所示，当剪切应力F施加到光纤138或144上的弹性 元件156时，剪切应力初始作用在弹性元件156的平直部分158上， 由此拉长平直部分158。
如上所述，倾斜部分162a、 162b和接头164a、 164b的弹性模量 低于平直部分158的弹性模量。因此，倾斜部分162a、 162b绕它们 到平直部分158的连接处有角度地远离彼此，由此增加在平直部分
18158和倾斜部分162a、 162b之间形成的角度。换句话i兌，倾斜部分 162a、 162b远离4皮此地扩展，由此移位4妄头164a、 164b远离4皮此。 结果是，在倾斜部分162a、 162b以及4妾头164a、 164b之间形成的
角度^皮减小。
由于接头164a、 164b被移位而远离彼此，因此光纤138或144 沿其纵轴而被拉长，由此扩展光栅140或146的光斥册周期。由此扩 展的光栅周期沿光纤138或144的纵轴也基本上是均匀的，因为移 位而远离彼此的两个接头164a、 164b沿其纵轴拉长光纤138或144。
因此，弹性元件156用于将施加的剪切应力的方向从基本上垂直 于光纤138或144的纵轴的方向转换到平行于光纤138或144的纵 轴的方向。
如图22中所示，如果々支设当剪切应力F施加到弹性元件156时， 应力F1、 F2分别作用于倾斜部分162a、 162b,并且应力F3、 F4分 别作用于接头164a、 164b,则光栅140、 146由分别等于应力Fl、 F2的力F3、 F4来扩展。如果在剪切应力F作用的方向和倾斜部分 162a、 162b之间形成的角度用a表示，则剪切应力F、应力F1、 F2 以及角度a满足下面的等式(3):
Fl=F2=Fcosa …(3)
由于在应力F2的方向和光纤138或144的纵轴之间形成的角度 由90。-a来表示，所以作用在光纤138或144以及接头164a、 164b 上的力F3、 F4通过下面的等式(4)来表达
F3=F4=F2cos ( 90。-a ) =F2sina
=Fcosasina …(4) 由于在倾斜部分162a和接头164a之间形成的角01与在倾斜部 分162b和接头164b之间形成的角e2彼此相等，因此应力Fl等于 应力F2并且应力F3等于力F4。如果假设光纤138或144具有弹性 常数E以及应变s,则满足下面的等式(5):
s= ( 2/E ) Fcosasina ..'(5)
19如果々支i殳光4册140或146的光棚-数目由N来表示并且光4册140 或146的光栅空间的变化用A来表示，则光栅数目N和光栅空间A 满足下面的等式(6):
△ =s/(N-l) …(6) 通过将等式(5)代入等式(6)中的s,等式(6)可以根据下
面的等式(7)来表达
△ = 2Fcosasina/ [ E x (N-1)] …(7) 因此，可以通过下面的等式(8)来确定波长移位X: 入=2 x neff x △
=4 x neff x Fcosasina/ [ E x (N-l)] …(8) 因此根据剪切应力F唯一确定峰值波形。
当剪切应力^皮施加到位于被移位离开平直部分158的纵向中心 位置的位置处的平直部分158时，例如当剪切应力^皮施加到靠近倾 斜部分162b的平直部分158的端部时，上面描述的现象也出现，如 图21中所示。具体地，当剪切应力被施加到平直部分158靠近倾斜 部分162b的端部时，平直部分158朝倾斜部分162a拉长。倾斜部 分162a、 162b成角度地彼此远离，由此使接头164a、 164b彼此远 离。结果是，光纤138或144被拉长，扩展了光栅140或146的光 栅空间。如图21中所示，光栅140或146的光栅空间基本上相等地 扩展。
尽管没有示出，上述现象也发生在当剪切应力被施加到平直部分 158靠近倾斜部分162a的端部的时候。
由于光栅140或146被扩展，从而光栅空间基本上相等地扩展， 光栅140或146并不反射具有不同波长的多个光束(参见图32), 但反射具有这样波长的光束该波长不同于在光栅140或146被扩 展之前反射的光束的波长，如图30中所示。
如果在倾斜部分162a和接头164a之间形成的角91以及在倾斜 部分162b和接头164b之间形成的角92;f皮此不同，则可以才丸行下面 的计算如果假设在剪切应力F作用的方向和倾斜部分162a、 162b之间 形成的角度分别用a、 p表示，并且倾斜部分162a、 162b具有各自 的应力sl、s2，则满足下面的等式(9)、 (10):
sl=F3/E
=Fcosasina/E ... (9)
s2=F4/E
=Fcos卩sin(3/E …(10) 因为总应力s等于sl+s2,所以满足下面的等式(11 ):
二 ( Fcosasina+Fcospsin(3) /E …(11) 通过将等式(11 )代入等式(6)中的s,根据下面的等式(12) 来表达等式(6):
△ = ( Fcosasina+Fcospsin(3) / [ E x (N-l) ] ...(12)
因此，波长移位X可以通过下面的等式(13 )来确定 X=2 x neff x △
二2xiieffX ( Fcosasina+Fcos(3sin(3) / [ E x (N-1)] …(13) 当垂直应力施加到光纤150时j艮据第三实施方式的光纤传感器
将以上述的相同方式来操作。根据类似于上述等式(4)到(13)的
等式来确定取决于垂直应力的峰值波形。
根据第三实施方式，如上所述，当扩展光栅140、 146和152时，
相应的光栅空间将基本上均勻地扩展，并且才艮据施加的应力来唯一
地确定移位的波长。因此，可以以增加的准确度来测量施加的应力。 尽管已经示出并且详细描述了本发明的某些优选实施方式，但应
该理解在不脱离所附权利要求书的范围下可以做出各种改变和修改。
例如，图23在透视图中示出其他弹性元件156，其用作应力方 向转换装置，具有不同的形状。如图23中所示，每个弹性元件156 具有接头164a、164b，其连接到相邻弹性元件156的接头164b、164a。
图24在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图24中所示，每个弹性元件156围绕着光纤138、 144或150的上表面 和下表面。
图25在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图 25中所示，类似于图24中所示弹性元件156的弹性元件156具有才妄 头164a、 164b,其连接到相邻弹性元件156的接头164b、 164a。
图26在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图 26中所示，每个弹性元件156布置在光纤138、 144或150之上或之 下，并且具有连接到相邻弹性元件156的接头164b、 164a的接头 164a、 164b。
图27和图28在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件 156。如图27和图28中所示，相邻的弹性元件156具有彼此连接的 相应平直部分158。
在图19示出的机器人系统110中，从光源58发射的光从由光束 切换器60以时间共享方式选择的半镀银镜62a、 62b、 62c之一提供 给光纤传感器118a、 118b,并且由反射光检测器66检测来自光纤传 感器118a、 118b的反射光束。然而，光纤传感器118a、 118b的每 个的X方向剪切应力传感器部件132、 Y方向剪切应力传感器部件 134和Z方向应力传感器部件136提供有来自三个独立光源的相应光 束，并且来自X方向剪切应力传感器部件132、 Y方向剪切应力传 感器部件134和Z方向应力传感器部件136的反射光束可以由三个 独立的反射光检测器来检测。根据这样的修改，可以同时检测从物 体12所施加的剪切应力和垂直应力。
光纤传感器18a、 18b、 118a、 118b不限于检测由手臂16a、 16b 所扭、取的物体12的4爪取状态，而是也可以应用于例如纟全测物体的表 面状态。
2权利要求
1.一种光纤传感器(18a，18b)，包括多个剪切应力传感器部件(32，34)，包括各自的光纤(38，44)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(40，46)，所述光栅(40，46)布置在光纤(38，44)中并且沿平行于剪切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32，34)的方向的平面排列；以及垂直应力传感器部件(36)，其包括光纤(50)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(52)，所述光栅(52)布置在光纤(50)中并且沿平行于垂直应力从物体(12)施加到垂直应力传感器部件(36)的方向的平面排列。
2. 根据权利要求1所述的光纤传感器(18a, 18b)，其中剪切 应力传感器部件(32, 34)和垂直应力传感器部件(36)的每个包 括柔性片体。
3. 根据权利要求1所述的光纤传感器(18a， 18b)，其中所述 剪切应力传感器部件(32， 34)的光纤(38, 44 )分别在平行于剪 切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32， 34)的方向 的平面中的两个垂直方向上延伸。
4. 根据权利要求1所述的光纤传感器(18a, 18b)，其中所述 剪切应力传感器部件(32, 34)的光栅(40, 46)布置在平行于剪 切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32, 34 )的方向 的平面中的多个不同位置中，并且光栅(40, 46)反射具有不同波 长的各个光束。
5. 根据权利要求1所述的光纤传感器(18a, 18b),其中剪切 应力传感器部件(32， 34)的每个包括两个相邻光栅(40, 46), 并且基于分别由两个相邻光栅(40, 46)所分别反射的光束的波长 发生移位的移位方向和移位量来4金测剪切应力(F)的方向和大小。
6. 根据权利要求1所迷的光纤传感器U8a, 18b),其中所述垂直应力传感器部件(36)的光栅(52)在垂直于垂直应力从物体 (12)施加到垂直应力传感器部件(36)的方向的平面中的多个不 同位置中布置，并且光栅(52)反射具有不同波长的各个光束。
7. —种光纤传感器Ul8a， 118b),包括应力传感器部件，包括光纤(138, 144， 150)和用于反射具有 预定波长的光束的多个光栅(140， 146, 152)，光栅(140, 146， 152)被布置在光纤(138, 144, 150 )中；以及应力方向转换装置(156)，其用于将不同于光纤(138, 144, 150)的纵轴的所施加应力(F)的方向转换成平行于光纤(138, 144， 150)的纵轴的方向，并且以转换的方向向光才册(140， 146, 152 ) 传递应力(F)。
8. 根据权利要求7所述的光纤传感器(118a， 118b),其中所 述应力方向转换装置(156)包括平直部分(158)，其平行于光 纤(138， 144, 150)的纵轴而延伸；以及，应力传递件(160), 其从平直部分(158)延伸到光纤(138， 144, 150)。
9. 根据权利要求8所述的光纤传感器(118a， 118b),其中所 述平直部分(158)具有比应力传递件(160)更高的弹性模量。
10. 根据权利要求7所述的光纤传感器(118a, 118b),其中所 述应力方向转换装置(156)通过橡胶、树脂、液晶聚合物以及碳纤 维增强塑料之一制成。
全文摘要
一种用作触觉传感器的光纤传感器(18a，18b)，其包括多个剪切应力传感器部件(32，34)，包括各自的光纤(38，44)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(40，46)。光栅(40，46)布置在光纤(38，44)中并且沿平行于剪切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32，34)的方向的平面排列。光纤传感器(18a，18b)还包括垂直应力传感器部件(36)，其包括光纤(50)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(52)。所述光栅(52)布置在光纤(50)中并且沿平行于垂直应力从物体(12)施加到垂直应力传感器部件(36)的方向的平面排列。优选地，用于转换施加的应力的方向的应力方向转换装置(156)，例如弹性元件，安装在光纤(38，44，50)上。
文档编号B25J19/02GK101581612SQ20091013900
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者古川诚, 国头正树, 小林正俊, 笛木信宏 申请人:本田技研工业株式会社