基于FBG的扭转传感器装置的制作方法

本公开涉及一种扭转传感器装置，并且更具体地涉及一种用于对测量对象的轴向扭转进行测量的基于光纤布拉格光栅(fbg)传感器的传感器装置。

[对政府资助的研究与开发的描述]

这项研究是由韩国科学与技术研究院在科学和ict(信息通信技术)部的全球前沿研究项目(由韩国国家研究基金会监督，项目序列号为1711073374)的支持下进行的。

背景技术：

在全世界范围内，3d运动捕捉系统可以用在包括运动、机器人技术、医疗应用、游戏以及图形和动画的各种领域中，并且使用3d运动捕捉系统的全球市场规模呈现逐渐增长的趋势。

为了实现3d运动捕捉系统，存在对用于同时地实时测量全身(包括上半身和下半身)运动和手指运动的系统的技术开发的需要，并且正在进行各种类型的产品的研究和开发。

使用利用标记的光学传感器、惯性传感器、肌电图(emg)传感器、摄相机、位置检测编码器和可变电阻的人类的全身(包括上半身和下半身)运动或手指运动的检测已被研究并且被商业化，并且惯性传感器随着时间的推移而具有漂移累积，利用标记的光学传感器和位置检测编码器由于阴影区域而具有无法测量的一些区域，以及emg传感器具有由于附接件和外部错误而导致的误差。

近来，为了克服这些缺点，已经尝试使用fbg传感器来检测各种人类运动。例如，fbg传感器可以被用作应变传感器以测量施加至测量对象的轴向方向的拉力、可以被用作形状传感器以测量在测量对象中发生的弯曲的方向和程度、并且可以被用作倾斜仪以检测测量对象中的倾斜度。

人体像臂部移动一样沿轴向方向移动、弯曲、被倾斜以及甚至被扭曲。因此，为了更精确地测量人体运动，必须测量人体的扭转。

然而，用于使用fbg测量轴向扭曲运动的已开发的传感器还不多，并且当通过扭曲将剪切力施加至fbg时，因弯曲和拉伸而产生的力也会被同时传递，因此难以将这些复杂的力分离。

另外，存在方法中的数值处理方法的一些情况，数值处理方法用于单独地区分通过弯曲和扭曲产生的复杂反射波长的结果，但是由于通过弯曲而引起的波长中的变化远大于通过扭曲而引起的波长中的变化，因此存在由于实时分类操作而造成误差的高风险。因此，在对于实时3d运动捕捉系统的实际应用中，在数值分类和区分大量波长变化数据以及将位置、角度或扭转信息发送回图形用户界面(gui)或实际模型中存在局限性。

[相关文献]

(专利文献1)韩国专利公布no.10-2006-0061564

技术实现要素：

技术问题

本公开的一方面涉及一种扭转传感器装置，并且具体地提出一种用于测量轴向扭转程度的基于光纤布拉格光栅(fbg)的传感器装置。

技术方案

根据本公开的一方面，提供了一种通过使用光纤布拉格光栅(fbg)传感器对测量对象的扭转程度进行测量的扭转传感器装置，该扭转传感器装置包括fbg传感器和固定装置，该fbg传感器包括形成在长形光学纤维的一个部段中的感测单元，该固定装置用于固定和支承fbg传感器以使fbg传感器根据测量对象的运动而移位，其中，固定装置包括防弯曲构件，该防弯曲构件使感测单元能够根据测量对象的运动而具有扭转移位但不具有弯曲移位。

根据实施方式，防弯曲构件可以包括两个支承件和加强件，所述两个支承件支承fbg传感器以允许感测单元的扭转移位，该加强件连接两个支承件以防止每个支承件之间的相对弯曲移动。

根据实施方式，加强件可以是绕感测单元缠绕的管。

根据实施方式，固定装置还可以包括与fbg传感器附接的梁，其中，该梁响应于测量对象的扭曲移动而进行扭曲运动，并且该梁可以定位成横过两个支承件且固定至支承件。

根据实施方式，支承件可以是滚珠轴承，梁可以固定至滚珠轴承的内圈，并且加强件可以固定至滚珠轴承的外圈。

根据实施方式，感测单元可以在支承件之间以螺旋形的方式卷绕在梁的外周缘上。

根据实施方式，梁包括扭转梁和延伸梁，感测单元以螺旋形的方式卷绕在该扭转梁上，该延伸梁从扭转梁的两个端部延伸以固定fbg传感器，并且扭转梁形成为比延伸梁具有更大的直径。

根据实施方式，固定装置还包括固定构件，固定构件设置在梁的两个端部处并且附接至测量对象以将扭转传感器装置固定至测量对象。

根据实施方式，固定构件包括固定件和键构件，该固定件固定至测量对象，该键构件插入到形成在固定件中的槽中。

根据实施方式，键构件包括本体部分和防旋转部分，梁固定至该本体部分，该防旋转部分用以防止键构件相对于固定件旋转。

根据实施方式，可以形成在梁的两个端部处的固定构件包括第一固定构件和第二固定构件，第一固定构件固定至梁，第二固定构件可以不固定至梁使得梁相对于第二固定构件以可滑动的方式移动。

附图说明

图1a是示意性示出了根据实施方式的光纤布拉格光栅(fbg)传感器的结构的图。

图1b是示出了输出到图1a的fbg传感器的光入口的反射光的波长光谱的曲线图。

图2是根据实施方式的扭转传感器装置的立体图。

图3是图2的扭转传感器装置的局部放大图。

图4是从图3省略加强件的图。

图5是示出了图2的扭转传感器装置的固定构件的图。

图6是图5的固定构件的键构件的立体图。

图7是图示了图2的扭转传感器装置的两个端部的固定状态的图。

图8是示出了使用图2的fbg传感器装置所获取的梁的扭转角度-波长的变化的实验数据的曲线图。

具体实施方式

将参照附图对各实施方式进行描述。然而，本文中公开的原理可以以许多不同的形式实现，并且应当理解的是，本公开不限于本文中公开的各实施方式。在本公开的详细描述中，可以省略对众所周知的特征和技术的详细描述以避免对各实施方式的特征的不必要的歧义。

在附图中，各附图标记表示各元件。为了清楚起见，附图中的形状、尺寸和区域等可以被放大。

测量对象指的是各种对象，包括例如对象的全部或部分可以进行运动和/或移动的人类、动物、机器和机器人。

如本文中使用的术语“弯曲”或“被弯曲”表示弯曲之后，测量对象的轴向中心轴线偏离弯曲之前的轴向中心轴线。在本说明书中，测量对象的“弯曲移动”、“弯曲动作”或“弯曲运动”是指测量对象的移动和/或运动或者导致测量对象的全部或部分发生弯曲的第三方的移动和/或运动。

如本文中使用的术语“被扭曲”或“扭曲”表示扭曲之后的轴向中心轴线不偏离扭曲之前的轴向中心轴线，并且更确切地说，横截面绕着轴向中心轴线旋转。在本说明书中，测量对象的“扭曲移动”、“扭曲动作”或“扭曲运动”是指测量对象的移动和/或运动或者导致测量对象的全部或部分发生扭曲的第三方的移动和/或运动。在本说明书中，扭曲包括扭转。

在本说明书中，光纤布拉格光栅(fbg)传感器的“弯曲移位”是指fbg传感器的由测量对象和/或第三方的“弯曲移动”和/或“弯曲运动”所引起的光栅间隔移位。

在本说明书中，fbg传感器的“扭转移位”是指fbg传感器的由测量对象和/或第三方的“扭曲运动”和/或“扭曲移动”所引起的光栅间隔移位。

在下文中，将参照附图提供对本公开的各实施方式的详细描述。

为了帮助理解，将首先描述光纤布拉格光栅(fbg)传感器(1)。

图1a是示意性示出了根据实施方式的光纤布拉格光栅(fbg)传感器(1)的结构的图。

fbg传感器(1)包括形成在长形光学纤维(11)的一个部段中的多个光栅(t1至t4)。在本说明书中，光学纤维(11)的具有多个光栅的部段被称为“感测单元(16)”。

尽管图1a为了方便起见而主要示出了感测单元(16)，但是将理解的是，光学纤维(11)的不包括光栅的其余区域可以延伸至感测单元(16)的左侧和右侧。光学纤维(11)的延伸至感测单元(16)的左侧和右侧的其余区域用作用以将光传递到光学纤维(11)中的通道，并且长度和移位不影响移动检测。换言之，光学纤维(11)的除了感测单元(16)以外的其余区域的长度可以根据需要进行调节，并且延伸方向可以被以不同的方式调节。

根据本实施方式，光学纤维(11)包括由玻璃形成并且能够自由地挠曲的包覆件(12)，以及在包覆件(12)的中央处沿着包覆件(12)的长度方向形成的芯部(13)。包覆件(12)的折射率与芯部(13)的折射率彼此不同。例如，包覆件(12)的折射率为n1，而芯部(13)的折射率为与n1不同的n0。光学纤维(11)在两个端部处具有光入口(14)和光出口(15)，光从光源(未示出)穿过该光入口(14)进入，光经由芯部(13)穿过该光出口(15)离开。

芯部(13)在光学纤维(11)的一些区域中具有多个光栅节点(t1至t4)，每个光栅节点包括形成感测单元(16)的一组n(n≥2，自然数)个光栅。

光栅是芯部(13)的各部分的特性在光学纤维(11)的制造过程中通过紫外光而变化的部位，并且具有与包覆件(12)和芯部(13)不同的折射率(例如，n0+δn)。

多个光栅在光栅之间以间隔λ布置。光栅之间的间隔λ可以是各种各样的。例如，光栅间隔λ可以是相等的。替代性地，当fbg传感器包括n个光栅时，n-1个光栅间隔λ1、λ2、……λa、……λn-1可以彼此不同。例如，每个光栅节点(t1～t4)中的每个光栅之间的间隔(λ1～λ4)可以具有逐渐增大的关系(即，λ1＜λ2＜λ3＜λ4)。每个光栅节点之间的间隔比光栅节点中的各光栅之间的间隔(λ1、λ2、λ3、λ4)大得多。

根据上述构型，进入光学纤维(11)的光入口(14)的入射光受到光栅节点的干涉。通过光入口(14)输出回来的反射光呈现出具有与每个光栅节点对应的峰的波长光谱。

图1b是示出了通过图1a的fbg传感器(1)的光入口(14)输出的反射光的波长光谱的曲线图。

光栅节点的光栅间隔(λ)和反射光的波长(λb)具有以下[等式1]的关系。

[等式1]

λb＝2·neff·λ

此处，neff是指示芯部的有效折射率的指标。

图1b的波长光谱中所示出的波长(λ1、λ2、λ3、λ4)对应于通过将每个光栅节点的各光栅之间的间隔(λ1、λ2、λ3、λ4)代入到上述[等式1]中所获得的值。换言之，波长(λ1、λ2、λ3、λ4)中的每个波长呈现出由每一个光栅节点反射和输出的反射光的波长。

当在第一光栅节点(t1)的位置处在fbg传感器(1)上产生应变时，第一光栅节点(t1)的各光栅之间的间隔(λ1)将变化，并且因此，可以通过上述[等式1]的关系来测量图1b的波长光谱中的反射波长(λ1)的曲线的左右偏移。因此，当反射波长(λ1)的曲线的左右偏移被测量时，可以确定在第一光栅节点(t1)的位置处在fbg传感器(1)上的应变。

通常，当测量对象在测量对象被安装在fbg传感器上的情况下移动时，测量对象的移动可能导致fbg传感器(1)的弯曲移位和/或扭转移位一起发生。在这种情况下，波长变化信息可以包括与测量对象的扭转程度以及弯曲程度相关联的信息。因此，为了通过fbg传感器(1)仅测量测量对象的扭转程度，必须防止fbg传感器(1)的弯曲移位。

在本公开中，在防止fbg传感器(1)的弯曲移位的同时测量的波长变化信息指示与测量对象的总体移动中的仅扭曲移动相关联的信息，如下所述。

图2是根据本公开的实施方式的扭转传感器装置(100)的立体图。

如图2中所示，根据本实施方式的扭转传感器装置(100)包括fbg传感器(1)和固定装置(2)，该固定装置(2)用以将fbg传感器(1)固定并且支承至测量对象(未示出)，以便于使fbg传感器(1)随着测量对象的移动而移位。

固定装置(2)包括梁(4)和固定构件(5)，fbg传感器(1)附接至该梁(4)并且该梁(4)至少部分地响应于测量对象的扭曲移动而进行扭曲运动，该固定构件(5)将梁(4)固定至测量对象。

根据本实施方式，测量对象可以是例如人类的臂部。肘关节是多自由度的关节，其中，弯曲运动和/或扭曲运动在运动期间以组合的方式发生，并且根据本实施方式的扭转传感器装置(100)将扭曲运动与肘部的运动机械地分离并测量肘关节的扭转程度。

为此，根据本实施方式的固定装置(2)包括防弯曲构件(3)，该防弯曲构件(3)允许fbg传感器(1)根据测量对象的移动产生扭转移位而不会产生弯曲移位。

如图2中所示，固定构件(5)形成在扭转传感器装置(100)的两个端部处。两个固定构件(5)各自附接至用户的上臂部和下臂部(例如，固定至用户的衣服)。梁(4)在两个固定构件(5)之间延伸并且延伸横过用户的肘部。

梁(4)由例如聚合物材料制成并且具有挠性。当用户移动肘关节时，两个固定构件(5)发生相对移位，并且因此梁(4)产生弯曲移位和/或扭转移位。

fbg传感器(1)附接至梁(4)的表面(参见图3)或者穿过中空梁(4)的内部附接至梁(4)的内周缘。因此，fbg传感器(1)响应于梁(4)的弯曲运动和/或扭曲运动而产生弯曲移位和/或扭转移位。

可以允许光学纤维(11)的延伸至感测单元(16)的左侧和右侧的各部分引起任何移位，但是仅分离和测量肘关节的扭曲移动，根据本实施方式，感测单元(16)的至少弯曲移位通过防弯曲构件(3)被限制。

尽管未在附图中示出，fbg传感器(1)在防弯曲构件(3)的外部经由形成在梁(4)中的孔穿过梁(4)，并且在防弯曲构件(3)的内部穿过形成在梁(4)中的另一孔延伸出梁(4)。

在这种情况下，fbg传感器(1)的感测单元(16)设置在防弯曲构件(3)内。

感测单元(16)的弯曲移位通过绕感测单元(16)缠绕的防弯曲构件(3)被防止。防弯曲构件(3)设置在梁(5)的中部，并且优选地，防弯曲构件(3)和感测单元(16)定位在与测量位置、例如肘关节的位置的对应的位置处。

图3是图2的扭转传感器装置(100)的局部放大图，并且图4是从图3省略加强件(34)的图。

防弯曲构件(3)包括两个支承件(32)以及加强件(34)，所述两个支承件(32)支承fbg传感器(1)以允许梁(4)的扭曲运动引起fbg传感器(1)的扭转移位，该加强件(34)连接两个支承件(32)以防止所述两个支承件(32)之间的相对弯曲移动。

根据本实施方式的加强件(34)是完全绕fbg传感器(1)缠绕的管，并且支承件(32)是滚珠轴承。滚珠轴承的内圈(322)与梁(4)接合并固定至梁(4)，并且滚珠轴承32的外圈(321)固定至加强件(34)的两个端部。

根据本实施方式的加强件(34)可以由比如金属或聚合物之类的各种类型的材料形成，但是具有足够的强度和长度以避免由于人类的移动而引起的弯曲移位。

因此，包括加强件(34)和连接至该加强件(34)的支承件(32)的防弯曲构件(3)不会由于测量对象的移动而导致任何方向上的弯曲移位。另外，fbg传感器(1)的利用防弯曲构件(3)被覆盖的感测单元(16)不会导致弯曲移位。

另一方面，允许固定至能够相对于外圈(321)旋转的内圈(322)的梁(4)进行扭曲运动，使得允许固定至梁(4)的感测单元(16)引起扭转移位。

加强件(34)例如可以形成为至少一根杆的形状，所述至少一根杆连接两个支承件(32)以防止支承件(32)之间的相对弯曲移动，但是加强件(34)可以具有管形状，从而防止fbg传感器(1)的与测量对象的移动方向无关的弯曲移位。

支承件(32)可以包括各种部件，这些部件支承滚珠轴承以及梁(4)，但是不中断梁(4)的扭曲运动。

如图3和图4中所示，fbg传感器(1)的感测单元(16)以螺旋形的方式卷绕在穿过防弯曲构件(3)的梁(4)的外周缘上。fbg传感器(1)包括以螺旋形的方式定位的感测单元(16)以通过梁(4)的扭转导致在感测单元(16)中出现更大的移位，从而引起到测量所需的足够的波长变化量。

根据本实施方式，当在施加到fbg传感器(1)的张力下将fbg传感器(1)卷绕在扭转梁(42)上时，感测单元(16)在稍微拉伸的状态下与没有施加张力时相比具有更宽的光栅间隔。该状态下的光栅间隔由扭转传感器装置(1)设定为初始状态。

当梁(4)随着肘关节沿一定方向移动而在感测单元(16)被卷绕的方向上被扭曲时，扭转梁(42)上的感测单元(16)被延伸并且光栅间隔增大。相反，当梁(4)随着肘关节沿不同的方向移动而在与感测单元(16)被卷绕的方向相反的方向上被扭曲时，扭转梁(42)上的感测单元(16)由于弹性恢复而被压缩并收缩，并且光栅间隔减小。

当光栅间隔增大时，波长变化方向为正，而当光栅间隔减小时，波长变化方向为负。因此，测量对象的扭转方向可以通过波长变化方向(符号)而被识别。

此外，可以通过光栅间隔变化来测量梁(4)的扭转程度(即，测量对象的扭转程度)。

例如，感测单元(16)的扭转移位和梁(4)的扭曲运动具有以下[等式2]的关系。

[等式2]

在[等式2]中，δλ表示附接至圆形梁(4)的感测单元(16)的扭转移位，d表示附接有fbg传感器的圆形梁的直径，l表示附接有fbg传感器的圆形梁的长度，并且δδ表示附接有fbg传感器的圆形梁的扭转角度。当光栅间隔是已知的时，将获得梁(4)的扭转角度。

梁(4)的扭转角度与测量对象的扭转程度具有比例关系，并且因此，可以通过梁(4)的扭转角度来推断和计算测量对象的扭转程度。

fbg传感器(1)卷绕在扭转梁(42)上的卷绕数量、卷绕形状和卷绕角度可以通过传感器装置的用途和尺寸进行适当地调节。

同时，根据本实施方式的梁(4)包括扭转梁(42)和延伸梁(44)，该扭转梁(42)固定fbg传感器(1)的感测单元(16)，该延伸梁(44)从扭转梁(42)的两个端部延伸以将fbg传感器(1)固定在防弯曲构件(3)的外部。

如所示出的，扭转梁(42)形成为比延伸梁(44)具有更大的直径。扭转梁(42)具有足以防止fbg传感器(1)与加强件(34)在防弯曲构件(3)内接触的直径。

根据本实施方式，扭转梁(42)由具有挠性的材料、例如聚合物材料形成，并且延伸梁(44)由具有刚性的材料、例如金属形成。

因此，根据本实施方式，当测量对象进行扭曲运动时，两个延伸梁(44)自身不发生扭曲以及相对于彼此旋转，并且它们用于将扭矩传递至扭转梁(42)。也就是说，根据本实施方式，在梁(4)中发生大的扭转移位的是扭转梁(42)。

如上所述，将理解的是，梁(4)的扭曲运动不仅包括整个梁(4)的扭转移位还包括梁(4)的至少一部分的扭转移位。

本公开的各实施方式仅允许设置在测量区域、比如肘关节处的扭转梁(42)基本上引起扭转移位，以使感测单元(16)的光栅间隔可以响应于测量对象的移动而立即变化。由此，与整个长形梁(4)产生扭转移位的情况相比，可以减少测量误差。

如在本实施方式中那样，在感测单元(16)以螺旋形的方式定位在的扭转梁(42)的具有较大直径的表面上时，圆形梁的直径d在上述[等式2]中增大。对于相同的波长变化量，可以更精确地计算扭转角度(δδ)，从而提高了传感器装置的分辨率。

同时，为了通过梁(4)的扭转角度计算测量对象的扭转程度，使感测单元(16)和扭转梁(42)与测量对象尽可能紧密地接触。

当梁(4)在两个固定构件(5)被固定至测量对象的情况下被固定构件(5)约束时，随着梁(4)沿着测量对象的弯曲移动方向弯曲，感测单元(16)和扭转梁(42)可能会与测量对象渐渐分开。

图5是图示了根据本公开的实施方式的固定构件(5)的结构的图。

根据本实施方式的固定构件(5)包括固定件(51)和键构件(55)，该固定件(51)附接至测量对象，该键构件(55)插入到形成在固定件(51)中的槽(53)中。

键构件(55)固定至延伸梁(44)的端部。键构件(55)可以插入到形成在固定件(51)中的槽(53)中并且可以在槽(53)中以可滑动的方式移动。

图6是根据实施方式的键构件(55)的立体图。

键构件(55)包括固定至延伸梁(44)的本体部分(552)和从该本体部分(552)的一个侧部突出的防旋转部分(554)。槽(53)形成为与键构件(55)的形状相符合。

为了进行准确的测量，当固定构件(5)随着测量对象的移动而移动时，梁(4)也响应于该移动而移动。如果梁(4)在固定构件(5)移动时相对于固定构件5无用地旋转，则不能传递准确的扭曲运动。

根据本实施方式，利用防旋转部分(554)，键构件(55)不会相对于固定件(51)旋转，使得由测量对象的扭曲运动而产生的扭曲力(例如，扭矩)可以被准确地传递至梁(4)。

键构件(55)不需要具有键的一部分是突出的的键形状，而是可以形成有下述结构：其中，成角度的边缘或突出部用作防旋转部分以防止相对于固定件(51)的相对旋转。

图7是图示了扭转传感器装置(1)的两个端部的固定状态的图。

根据本实施方式，固定至延伸梁(4)的一个端部的第一固定构件(57)被固定成不相对于延伸梁(4)移动。另一方面，固定至延伸梁(4)的另一端部的第二固定构件(59)具有下述结构：其中，上述键构件能够相对于固定件以可滑动的方式移动并且不被固定至延伸梁(4)。

第一固定构件(57)可以具有与第二固定构件(59)不同的结构，并且可以具有与第二固定构件(59)相同的结构，但是键构件(55)可以固定至固定件(51)以不允许固定件(51)以可滑动的方式移动。

如图7中所示，当测量对象产生弯曲移位时，第二固定构件(59)的键构件(55)不固定至第二固定构件的固定件(51)。由此，第二固定构件(59)的键构件(55)在第二固定构件(59)的槽(53)上以可滑动的方式移动。

因此，即使当测量对象产生很大的弯曲动作时，梁(4)的弯曲移位也被最小化。可以防止比如施加至梁(4)的两个端部的剪切力之类的因素影响fbg传感器(1)的扭转移位，并且将感测单元(16)保持成与测量对象紧密接触。

图8是示出了使用fbg传感器装置(100)所获取的梁的扭转角度-波长的变化的实验数据的曲线图。

如图8中所示，扭转传感器装置(100)可以具有下述分辨率：该分辨率具有每1°的梁的扭转角度的约2.1pm的扭转移位。这仅是实验结果，并且扭转传感器装置的分辨率可以通过基于[等式1]和[等式2]来设计梁的的尺寸而被调节。另外，当所制造的扭转传感器装置不能对测量对象的扭曲运动进行测量时，该问题可以通过再次对梁进行设计而无需再次制造整个装置来解决。

尽管本公开示出了并且描述了各优选实施方式，但是本公开不限于各特定实施方式，并且本领域的技术人员可以在不脱离所附权利要求中所列出的所要求保护的主题的情况下做出各种变型，并且这样的变型不应当根据本公开的技术精神或范围被单独地理解。

[工业适用性]

在全世界范围内，在各领域中存在对于机器人的增长的需求。特别地，存在对于无关节机器人(例如，可柔性的内窥镜机器人、蛇形机器人)的需求，但是为了测量机器人的准确性能，必须测量对应机器人的扭转。

另外，随着虚拟现实的开发和市场的扩展，为了制造更精确的运动传感器，必须测量运动测量对象的扭转。

因此，期望的是本公开的各实施方式将在机器人技术和运动传感器领域中的广泛应用中得到使用。