CN116067419A - 一种指套型光纤光栅触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种指套型光纤光栅触觉传感器实现对温度和三维力同时测量的方法，属于触觉传感领域。所述触觉传感器结构包括：硅橡胶、刚玉管、光纤光栅（FBG）；所述柔性硅橡胶圆柱体中空结构可穿戴在需要触觉感知的载体上，在三维力的作用下柔性圆柱产生相对应的弹性形变；所述刚玉管封装FBG1应力隔绝感温部分沿Y轴方向排布，距主体左端面0.5cm。FBG2和FBG3在XOY平面内顺Z轴方向正交排布，实现对法向力切向力的辨别和测量。FBG1的应力隔绝温度信息数据实现对FBG2和FBG3的温度和三维力串扰信息补偿。本发明通过较简易、低成本的结构，实现对温度和三维力的同时高精准度测量。
Description
技术领域
本发明涉及柔性触觉传感领域，具体涉及一种手指可穿戴识别三维力和温度的柔性触觉传感器。
背景技术
自然的触觉感知需要触觉传感器与触觉载体相适应，以便于从物理的交互中获取相关的触觉信息。机器人技术不断发展，其灵活度、操控性、实时性发展迅猛。但触觉的感知功能仍不能满足先进技术的需求，故触觉传感器在机械手、机器皮肤、可穿戴设备等领域表现出了极高的应用前景。
开发高精度同时实现可变形材料的工艺较为复杂，要求触觉传感器具有与人体结构一样的柔软性和灵活性，适用于特殊的人工智能感知载体，能够快速准确地从周围环境中获取多维信息。
在实际应用中，灵敏的触觉感知是保证机器人与外界环境安全有效交互的关键，柔性触觉传感器的研究在仿生智能机器人领域具有不可替代的作用。
作为可穿戴的触觉传感器应该能够测量三维力与温度。近年来，基于MEMS、电容式、压电式和PVDF技术的触觉传感器的实现技术已经得到了广泛的应用。上述传感器仅可用于机器人感知力的信息，却没有同时感知温度与三维力。且它们大多只是组合阵列，这限制了它们的灵活性与多参量感知性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种指套型光纤光栅（FBG）触觉传感器，同时测量法向力、切向力和温度且手指可穿戴的三维柔性传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种指套型光纤光栅触觉传感器，传感器内部主要由硅橡胶、刚玉管、FBG三个部分构成。
作为一种优选的技术方案，所述的触觉传感器整体为圆柱形，直径为3cm，高度为3cm。左实心部分厚度为1cm，空心圆柱部分直径为2cm，高度为2cm。
作为一种优选的技术方案，所述刚玉管尺寸：外径3mm，内径2mm，长度1cm。FBG1放置于其中，引出光纤的一端使用硅橡胶封口。另一端口硅橡胶封口，未粘住光纤。
作为一种优选的技术方案，所述的3根FBG的中心波长为1543nm，刻写方式为飞秒激光器逐点刻写的未剥去涂覆层的单模光纤，光栅栅区长度为4mm，纤芯直径为9微米。
作为一种优选的技术方案，所述刚玉管封装FBG1感温部分完成后置于模具中，注入混合固化剂的硅橡胶，静置24小时后，固化成型。
作为一种优选的技术方案，所述FBG2和FBG3在XOY平面内正交沿Z方向排布，嵌入未固化的硅橡胶，倒入2%比例的固化剂，静置24小时固化后传感器部分制作完成；
作为一种优选的技术方案，所述传感器套在类手指实心圆柱体放置在旋转位移台上，在三维力的作用下，指套型触觉传感器会产生不同形式的变形。在法向力的作用下沿Z方向压缩；在切向力的作用下，圆柱会发生弯曲。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的指套型光纤光栅触觉传感器具有良好的柔性，在三维力的作用下发生弹性形变，失去力的作用会恢复初始状态，保障了触觉传感器的可靠性；
2.本发明的指套型光纤光栅触觉传感器可以实现温度与三维力的同时感知，FBG1的应力隔绝设计使其仅能单独感知温度的变化。FBG2和FBG3的应力与温度串扰可以通过FBG1的数据信息进行温度补偿，从而获取到去除温度串扰的三维力信息；
3.本发明的指套型光纤光栅触觉传感器是一种可穿戴设备，可穿戴在假肢手指、机械手等需要触觉感知的载体；
4.本发明的指套型光纤光栅触觉传感器使用飞秒激光器刻写FBG工艺，不需要对单模光纤剥去涂覆层，极大的提高了FBG的机械强度。
附图说明
图1为本发明提出的指套型光纤光栅触觉传感器的结构示意图。
图2为本发明提出的指套型光纤光栅触觉传感器的温度测试响应。
图3为本发明提出的指套型光纤光栅触觉传感器的法向力与FBG中心波长漂移量关系图。
图4为本发明提出的指套型光纤光栅触觉传感器的切向力角度识别方式的极坐标系图。
具体实施方式
现将结合本发明实施例中的附图，更全面地描述本发明实施例中的技术方案。显然，示例实施方式能够以多种形式进行实施，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种指套型光纤光栅触觉传感器，空心结构实现可穿戴功能。3根FBG解调实现温度、法向力和切向力的精准测量。
为使本发明的上述目的、特征和优势更加清晰明了，下面结合附图和测试结果对本发明作进一步详细的说明。
图1展示了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，如图1所示，发明一种指套型光纤光栅触觉传感器包括刚玉管1、硅橡胶2、空心圆柱体3和FBG4。
如图1所示，本发明以硅橡胶2为主体外形圆柱结构，主体结构中存在空心圆柱体结构。FBG 4结构包括3根中心波长为1543nm的FBG，由左向右依次标记为FBG1、FBG2和FBG3。刚玉管1对FBG1进行封装，实现隔绝应力的目的。FBG2和FBG3在XOY平面内顺Z轴方向正交排布，实现对法向力切向力的辨别和测量。若存在温度场，FBG1的温度数据可对FBG2、FBG3的温度+应力数据进行补偿，实现温度、法向力、切向力的同时测量。
如图2所示为FBG1的中心波长漂移量随温度的线性关系，本发明所提供的一种指套型光纤光栅触觉传感器，实现20-180℃的温度感知，灵敏度为9.83pm/℃，数据结果呈线性关系，线性度达99.9%。
图3为法向力的测试结果，获取的中心波长变化量如果相近，且都向短波长方向漂移。证明两根FBG同时被压缩，即可判断力的方向为法向力。仅需提取FBG2或FBG3的任一测试结果灵敏度即可测量法向力的大小。测试范围为0-2N，步长为0.25N，法向力的灵敏度如图3，为16.8pm/N，线性度为97.7%。
通过如图4所示例的不同切向力角度（切向力固定为1N时），FBG2和FBG3的中心波长漂移量正负和比例关系即可确定切向力的角度。辨别出切向力的角度之后，分析双FBG在不同切向力角度下的感知切向力大小灵敏度的线性关系即可测量出切向力的大小。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种指套型光纤光栅触觉传感器，其特征在于，包括硅橡胶主体结构、刚玉管、3根FBG；所述硅橡胶主体结构为中空圆柱体，FBG1封装在刚玉管中以达到应力隔绝，所述FBG2和FBG3在硅橡胶圆柱主体结构中在XOY平面内正交沿Z方向排布。
2.根据权利要求1所述的一种指套型光纤光栅触觉传感器，其特征在于：触觉传感器整体为圆柱形，直径为3cm，高度为3cm；左实心部分厚度为1cm，空心圆柱部分直径为2cm，高度为2cm；可穿戴在假肢手指、机械手等需要触觉感知的载体。
3.根据权利要求1所述的一种指套型光纤光栅触觉传感器，其特征在于：刚玉管对FBG1进行封装，实现隔绝应力的目的；FBG1放置于其中，引出光纤的一端使用硅橡胶封口；另一端口硅橡胶封口，未粘住光纤。
4.根据权利要求1所述的一种指套型光纤光栅触觉传感器，其特征在于：3根FBG的中心波长为1543nm，刻写方式为飞秒激光器逐点刻写的未剥去涂覆层的单模光纤，光栅栅区长度为4mm，纤芯直径为9微米。
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