光纤光栅力觉传感器及其压力检测方法与流程

本发明涉及传感器领域，更具体地说，涉及一种光纤光栅力觉传感器。

背景技术：

力觉传感器是智能机器人的感知部件,安装在机器人的手臂等和末端执行器中间,将感知的力/力矩信息反馈至计算机,以便控制末端执行器运动的方向和位置,实现机器人自适应调节,完成自动装配等精密作业。

光纤光栅(FBG)是一种新型的光无源器件，利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，可以改变或控制光在该区域的传播行为方式。被测量(温度、应力/应变)引起光栅栅距的变化，从而反射峰的中心波长发生移动，通过波长解调系统得到反射峰移动量，即可获得被测量的大小。

核电设备结构复杂，设备本身或其运行环境具有放射性，同时还兼具水下、高温、高压等特点，利用机器人进行设备检修、乏燃料转运、放射性废物处置和核事故应急处理等工作，可以大幅提高核电站的检修水平或事故处理效率，降低工作人员受照剂量和劳动强度，致力于开发出适应核辐射环境。性能先进、可靠的核电站机器人一直是核工业界追求的目标。

考虑到核电机器人对传感器的特殊要求，通过对国内外传感器的发展现状和核电环境的特殊性研究后发现，现有技术有以下缺点：敏感元件采用电信号输出，容易引起电气和电磁干扰；传感单元较多，电极、引线复杂，导致传感器比较笨重；敏感元件、电极电路、弹性体材料在高温、高压、高腐蚀、高辐射的核电特殊复杂环境中可靠性和寿命大大降低，而核电工作环境的特殊性导致了传感器失效后无法及时更换；弹性体结构不能满足核电机器人体积小、质量轻、耐冲击的使用要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种光纤光栅力觉传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光纤光栅力觉传感器，包括本体、光纤光栅和光检测装置，其中，

所述本体表面至少有一个刻槽，光纤光栅放置在所述刻槽内，所述光纤光栅上刻写至少一个光栅，所述光纤光栅连接所述光检测装置；

所述本体在外部力的作用下发生形变，引起所述光纤光栅发生形变，通过所述光检测装置测量所述光纤光栅中光波波长的变化，确定所述外部压力的大小和方向。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，所述本体为球形本体，所述球形本体有至少一个切面，所述切面为将所述球形本体的一部分切除所形成的切割面。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，所述球形本体包括六个切面，其中，第一切面和第二切面互相平行，且分别位于所述球形本体两侧；

第三切面和第四切面垂直于所述第一切面和所述第二切面，所述第三切面和所述第四切面互相平行，且分别位于所述球形本体两侧；

所述第一切面、所述第二切面、所述第三切面和所述第四切面的所在平面形成空心柱体，第五切面和第六切面垂直于所述空心柱体，所述第五切面和所述第六切面互相平行，且分别位于所述球形本体两侧。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，在所述球形本体表面刻槽，所述刻槽经过切面。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，第一刻槽位于经过所述球形本体的中心的平面内，且所述第一刻槽垂直于所述第一切面、所述第二切面、所述第三切面和所述第四切面所在的平面形成的空心柱体，所述第一刻槽绕所述球形本体一周。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，第二刻槽位于经过所述球形本体的中心的平面内，且所述第二刻槽所在平面垂直于所述第一刻槽所在的平面，所述第二刻槽绕所述球形本体一周。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，所述第一刻槽和所述第二刻槽相交点所在的切面包括第三刻槽，所述第三刻槽将所述第一刻槽和所述第二刻槽连接起来，所述第三刻槽具有弧度，方便光纤从所述第一刻槽绕至所述第二刻槽。

在本发明所述的光纤光栅力觉传感器中，所述光纤上刻写有六个光栅，所述光纤在所述第一刻槽、所述第二刻槽和所述第三刻槽绕所述球形本体两周，且所述六个光栅分别落在所述六个切面内。

本发明还提供一种光纤光栅力觉传感器的压力检测方法，该压力检测方法包括下述步骤：

将光纤光栅力觉传感器安装在机器的受力部位，并通过光纤与光检测装置连接；

光纤光栅力觉传感器在受到外力后发生形变，缠绕在光纤光栅力觉传感器上的光纤随之发生形变，引起光纤中的光波产生变化；

光检测装置测量光纤中光波的变化量，根据预先标定的波长与受力之间的对应关系，得到不同方向的力的大小和力矩。

实施本发明的一种光纤光栅力觉传感器，具有以下有益效果：本发明的光栅力觉传感器基于光纤传感，适应核电特殊环境下应用，克服了传统传感器易受电气干扰，易受电磁干扰的缺陷；发挥光纤传感器耐热、耐腐蚀、耐辐射的优点，使用特殊的封装材料及封装技术，满足传感器在高温、高压、高腐蚀、高辐射的核电特殊复杂的环境下的使用要求；光纤传感器体积小、精度高；采用特殊轻质材料制作，质量轻；特殊结构设计，满足机器人足部和指部等的静、动态特性，承受足够大的冲击载荷，可测范围大。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明光纤光栅力觉传感器的立体结构示意图；

图2是本发明光纤光栅力觉传感器的切面结构示意图；

图3是本发明光纤光栅力觉传感器俯视图；

图4是本发明光纤光栅力觉传感器的压力检测方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的优选实施例。

本实施例公开一种光纤光栅力觉传感器，其包括本体、光纤光栅和光检测装置，其中，

所述本体表面至少有一个刻槽，光纤光栅放置在所述刻槽内，所述光纤光栅上刻写至少一个光栅，所述光纤光栅连接所述光检测装置；

所述本体在外部力的作用下发生形变，引起所述光纤光栅发生形变，通过光检测装置测量所述光纤光栅中光波波长的变化，确定所述外部压力的大小和方向。

本体的形状根据实际的应用场景进行具体场景设计，才采用球体、柱体等；本体的大小根据实际的应用场景进行具体场景设计，本实施例对此不做限定。光纤中刻写光栅的数量和光栅之间的距离根据本体的形状和大小确定。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，本体为球形本体101，球形本体101有至少一个切面，切面为将球形本体101的一部分切除所形成的切割面。这里所说的球形本体101不仅包括正球体，也包括椭球体，以及类球体，例如，规则的多面体以及不规则的多面体。需要注意的是，本实施例中的球体光纤光栅力觉传感器应用于核电机器人的足部和指部，因此要求球体具有平滑的过度，便于旋转，方便机器人足部和指部的运动。同时，球体的材质应是具有弹性体材料，需采用轻质高强度合金，如钛合金等，满足传感器在机器人在足部行进和指部抓握过程中产生的冲击强度要求，且弹性体作为一个整体采用高强度轻质合金一次加工成型，弹性体结构在满足敏感元件测应变灵敏性的前提下，确保强度和较轻便的质量。光纤光栅力觉传感器与机器人部位的衔接，可根据不同类型机器人的不同部位的安装需求，设计安装孔位，进行衔接。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，球形本体101包括六个切面，其中，第一切面103和第二切面互相平行，且分别位于球形本体101两侧；

第三切面106和第四切面垂直于第一切面103和第二切面，第三切面106和第四切面互相平行，且分别位于球形本体101两侧；

第一切面103、第二切面、第三切面106和第四切面的所在平面形成空心柱体，第五切面107和第六切面垂直于空心柱体，第五切面107和第六切面互相平行，且分别位于球形本体101两侧。

本实施例在球形本体101上取六个切割面，也可根据需要取四个切面、八个切面等，切面的选取规则与取六个切面的方法相同，保证取过切面的球形本体101能保持平滑过度，方便安装在机器人的衔接部位。六个切面既可以对称相同，也可以根据需求切割。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，在球形本体101表面刻槽，刻槽经过切面。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，第一刻槽102位于经过球形本体101的中心的平面内，且第一刻槽102垂直于第一切面103、第二切面、第三切面106和第四切面所在的平面形成的空心柱体，第一刻槽102绕球形本体101一周。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，第二刻槽104位于经过球形本体101的中心的平面内，且第二刻槽104所在平面垂直于第一刻槽102所在的平面，第二刻槽104绕球形本体101一周。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，第一刻槽102和第二刻槽104相交点所在的切面包括第三刻槽105，第三刻槽105将第一刻槽102和第二刻槽104连接起来，因为光纤的特性，不能随意弯折，需要控制一定的弯折角度，否则会引起光的传播失真，所以第三刻槽105具有一定弧度，弧度的大小根据传感器的大小和相交刻槽的角度确定，方便光纤从第一刻槽102绕至第二刻槽104，不影响光波在光纤中的传输。

本发明中光纤光栅力觉传感器的本体上的刻槽的数量根据本体的形状以及需要测量的外力的分布情况确定。

在本发明的光纤光栅力觉传感器中，光纤上刻写有六个光栅，光纤在第一刻槽102、第二刻槽104和第三刻槽105绕球形本体101两周，且六个光栅分别落在六个切面内。在光纤光栅力觉传感器受到外力之前，利用光检测装置检测光纤中的各个光栅的光波分布，记录为原始光信号；在光纤光栅力觉传感器受到外力发生形变后，光纤随之发生形变，例如拉伸或压缩，导致光纤中的光波波长发生变化，光检测装置检测到各个光栅的光波变化量，根据预先标定的波长与受力之间的对应关系以及变化量确定受到外力的大小和方向，也就是六个切面所受外力的大小和方向。

需要说明的是，预先标定的波长和受力之间的关系要考虑本体所用的材质、形状、大小以及所用光波的波段，也就是说，根据本发明的原理制作的传感器，其预先标定的波长和受力之间的关系是不同的，需要在确定好传感器的材质、形状、大小以及所用光波的波段的基础上，根据测试结果确定标定的波长和受力之间的对应关系。

另，针对核电机器人手指和足部等的运动轨迹，建立机器人手指和足部本身各连杆之间数学模型，规定各种坐标系(如基座坐标系、腕部坐标系、目标坐标系等)，利用齐次变换矩阵描述机器人与环境的相对位置关系，分析手指和足部的接触力、冲击力、变形、弯曲等参数的感知传递与传感耦合情况；结合光纤布拉格光栅耦合模方程与传输矩阵方法，建立温度、应变感知模型，分析它们对传感层光纤光栅的弹性形变、弹光效应、热膨胀及热光效应，得出足部和指部传感器安装位置的力感知理论分析模型。

如图1所示，并结合图2和图3，给出一种光纤光栅力觉传感器的具体参数，光纤光栅力觉传感器的球体的半径为15mm，切面的半径为7.5mm，两个平行切面之间的距离为25.98mm，刻槽的槽深为0.6mm，刻槽的槽宽为0.6mm，根据以上参数设计的光纤光栅力觉传感器经测试，可达到下表的性能参数：

表1光纤光栅力觉传感器的性能参数表

另，如图4所示，基于上述的光纤光栅力觉传感器，本发明还构造一种光纤光栅力觉传感器的压力检测方法，其包括下述步骤：

步骤S101，将光纤光栅力觉传感器安装在机器的受力部位，并通过光纤与光检测装置连接；

步骤S102，光纤光栅力觉传感器在受到外力后发生形变，缠绕在光纤光栅力觉传感器上的光纤随之发生形变，引起光纤中的光波产生变化；

步骤S103，光检测装置测量光纤中光波的变化量，根据预先标定的波长与受力之间的对应关系，得到不同方向的力的大小和力矩。

在本发明的使用光纤光栅力觉传感器的压力检测方法中，光检测装置测量光纤中光波的变化量，根据预先标定的波长与受力之间的对应关系，得到不同方向的力的大小和力矩步骤包括：

以本体中心为原点，建立包含光纤光栅力觉传感器的空间直角坐标系；

光检测装置分别得到空间直角坐标系中X轴、Y轴、Z轴上的光波变化量，并根据预先标定的波长与受力之间的对应关系，得到X轴、Y轴、Z轴上的受力大小；

根据X轴、Y轴、Z轴上的受力大小得到光纤光栅力觉传感器所受外力的大小和力矩。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。