仿生柔性触角形状感知光纤传感方法研究

赵利明,董明利,李 红,孙广开,祝连庆

(北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心,北京 100016)

1 引 言

智能机器人技术已成为当今应用广泛、发展最令人瞩目的高新技术,其发展越来越受到世界各国的高度关注。被测物体的信息识别是智能机器人的重要感知能力。机器人只有在感知物体存在并能够确定其形状的情况下才能实现智能抓取、跟踪等任务。不断提高形状检测的精确性、对复杂环境的适应性以及对目标各种变化的鲁棒性非常必要。通过仿生触角系统可感知对象物体的材质和形状[1-3]；准确探测、识别地形变化,使机器人具备在能见度低且复杂的环境中进行安全导航的能力,并能确保自身结构和功能的完整性。

机器人感知物体形状采用的传感器主要包括：激光传感器、压阻式触觉传感器、电容式触觉传感器等,但这些传感器在应用中存在若干问题。激光传感器可以实现无接触远距离测量,但在烟雾等恶劣环境下无法应用。现有的压阻式、电容式[4]方法与柔性材料的相容性差,难以进行准确探测。因此,为了适应复杂恶劣的环境并与柔性材料兼容,需要研究有效的柔性传感方法。

光纤传感器具有柔韧可变形、重量轻、体积小、结构简单等、灵敏度高、响应速度快的优点,且在恶劣环境下具有诸如敏感和抗干扰能力强等特性,光纤式触觉传感器在机器人上具有应用前景,但光纤光栅在仿生柔性触角上的研究较少。吴仲台[5]等人设计了一种光纤光栅形状传感器,并对传感器的封装工艺进行了精度分析。Zhao[6]等人设计了一种基于光纤光栅的生物晶须阵列,通过对晶须挠度的测量获取物体的距离信息。以上研究为光纤光栅在物体形状感知方面的应用拓宽了基础,但在形状感知过程中传感器弯曲形态的获知方面还欠缺研究。

为了解决这些问题,本文研究一种基于多元光纤光栅阵列的柔性仿生触角传感方法,主要研究光纤光栅中心波长漂移量与仿生柔性触角因接触物体弯曲而产生的曲率之间的关系,验证仿生柔性触角在形状感知方面的可行性,为复杂物体的形状感知提供基础。

2 柔性仿生触角结构设计

基于柔性可恢复的设计理念,柔性仿生触角的基材选取直径为2 mm钛镍记忆合金丝,于记忆合金丝的外侧布设三根光纤光栅,且两两间成120°角。每根光纤光栅上均匀分布三个栅区,光纤光栅使用DP420高性能粘合剂进行固定。待触觉传感器封装完毕后,在其外部添加热缩管以达到保护传感器的目的。这种设计的主要优势是三个不同方向上的FBG测量点相互之间为补偿匹配关系,可以进行温度补偿和拉伸应力的补偿，如图1所示。

当触觉传感器和物体接触或者受到横向压力,记忆合金丝会产生微小的轴向应变,与此同时,粘合在其内侧面的FBG随之产生相同的应变,使得FBG的中心波长发生变化。得知中心波长的漂移量便可进一步获知FBG的曲率变化情况。

图1 柔性仿生触角基础设计Fig.1 Basic design of flexible bionic antenna

3 重构算法

3.1 FBG空间曲率传感

在温度恒定的条件下,FBG受轴向应变量ε的表达式为：

(1)

当柔杆发生弯曲时,FBG的弯曲程度产生应变ε,导致其反射谱中心波长λB发生漂移量ΔλB,由公式(1)得出此漂移量ΔλB与应变ε成正比。设栅区长度为s,柔杆直径为d,曲率半径为ρ,有：

(2)

推出曲率半径ρ表达式为：

(3)

因此推出曲率半径ρ的倒数曲率k表示为：

(4)

多元光纤柔性触觉传感器网络布局测量空间曲率原理如图2所示。设检测方向a的曲率大小为ka,方向b与c上曲率为kb、kc。建立右手坐标系,规定a方向为y轴正方向。

图2 空间曲率测量原理Fig.2 Principle of space curvature measurement

则x轴方向上的曲率kx为：

(5)

y轴方向上的曲率ky为：

(6)

当触角接触到物体时,FBG中心波长的漂移量可以明确获知,接下来将研究分析如何通过实验获知的中心波长漂移量Δλ获取接触点的坐标,进而获取被测物体的空间信息,达到触角对被测物体信息探知的目的。

(7)

3.2 三维重构的实现

基于多元光纤光栅的柔性仿生触角三维重构是基于MATLAB与LabVIEW的联调实现的,可达到柔性触角于PC端的实时弯曲显示的目的。柔性仿生触角于任意方向弯曲,其弯曲形态可直观地在显示器上获知,且由于触角弯曲而导致的中心波长漂移量同样可明确得到。

图3 柔性触角点坐标计算模型Fig.3 Flexible antenna point coordinate calculation model

4 实验系统

由于笛卡尔机器人可以进行广泛而精确的运动,因而被用作本实验的三维位移平台。触觉传感器因接触物体而产生的弯曲上传到PC机上,并可实时处理,进一步确认机器人的后续运动。机器人(雅马哈YK600XG)的运动范围为300 mm×300 mm×200 mm,且X-Y方向的最高移动速度为840 mm/s,Z方向的最大移动速度为230 mm/s,机器人的重复定位精度为±0.01 mm,它可以承受的最大载荷为10 kg。触觉传感器固定于机器人的机械臂末端,大角度的弯折可能导致传感器的损坏,所以要求我们尽可能仔细地控制接触。在触角的移动过程中存在如触角振荡等情况,会对测量产生一定的影响。从PC端通过RS232电缆和RCX240适用控制器下传操作指令,完成路径积分,并带动马达,实现机械臂的移动。机器人的编程语言是类似BASIC语言的简单编程语言,可简易地记述复杂的机器人动作。

实验平台的基础搭建基于通过PC端控制机器人机械臂的位置准确移动,在机械臂末端固定多元柔性触角传感器且与解调仪相连,触觉传感器形变而导致的中心波长漂移量可在另一PC端直观获知,并可实时得知触角的弯曲程度。实验平台基础搭建如图4所示。

图4 光纤传感实验系统Fig.4 Optical fiber sensing experiment system

5 实验分析

5.1 曲率标定

触觉传感器封装完成之后,由于传感器弯曲曲率k与其中心波长漂移量ΔλB成正比,因此要对触觉传感器的曲率系数K值进行标定。曲率标定板选用铝合金为基材,铝板上铣了不同曲率半径的标准圆弧型凹槽,标定板的直径为2.5 mm,可用于放置传感器。标定时将触觉传感器固定于标定板不同曲率半径的凹槽内,用于研究光纤光栅在不同曲率下的中心波长变化情况。实验选取直线以及曲率半径分别为1000 mm,400 mm,330 mm,240 mm的五种不同圆弧进行实验分析。

光纤光栅的Bragg波长是随光栅的周期和纤芯模的有效折射率变化的,因此Bragg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。应变影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的。当外界的应力等参量发生变化时,Bragg波长的变化可表示为：ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ,其中Λ是光栅周期,neff是纤芯等效折射率。由于FBG弯曲时所处的位置不同,故其受到拉伸或者压缩的作用也不同,实验中,光纤a受到压缩作用,光纤a的光栅周期变短,则光纤a的中心波长应向波长减小的方向漂移。光纤b、c受到拉伸的作用,光纤b、c的光栅周期变长,则其的中心波长应向波长增大的方向漂移。本实验中各光纤光栅的中心波长的漂移情况如图5所示。

三根不同光纤的中心波长漂移量与曲率之间的线性关系如图6所示。拟合曲线的斜率即为触觉传感器的曲率系数K值,其中光纤a的曲率系数Ka为0.96839,光纤b 的曲率系数Kb为0.61785,光纤c的曲率系数Kc为0.51567。进行信息识别的实验时,仿生柔性触角接触物体,由相应的中心波长漂移量可获知具体的曲率变化及位置坐标信息,随着触角的持续运动可以获知整个物体的轮廓,达到物体形状感知的目的。

图5 光纤光栅中心波长漂移情况Fig.5 Optical fiber grating center wavelength drift

图6 波长漂移量—曲率关系图Fig.6 Wavelength drift-curvature diagram 表1 不同弯曲程度下的曲率匹配相对误差 Tab.1 The curvature of different bending degree matches the relative error

曲率光纤a光纤b光纤c1．00000．011730．001600．014422．50000．010880．002410．001403．03000．000340．001260．047844．16000．000010．017550．00013

在不同弯曲程度下的曲率匹配相对误差如表1所示。由于传感器封装的影响,对三根FBG进行了一定的拉伸应力补偿,其中光纤a的补偿系数为1.247,光纤b的补偿系数为1.992,光纤c的补偿系数为2.398。实验结果表明,该柔性仿生触角传感器能够在不同的弯曲程度下很好的匹配相应的曲率,为被测物体的信息识别提供了可靠的保障。

5.2 轮廓识别

柔性仿生触角在接触物体时会产生一定挠度的弯曲,通过中心波长漂移量可以获取相应接触点的位置坐标。选取圆柱作为被测物体,柔性仿生触角绕着圆柱稳定地走过一段圆弧,将所获得的被测物体的坐标点进行拟合,并将拟合所得的物体轮廓图与实物理论图进行对比。

使用MATLAB对坐标点进行拟合,拟合结果如图7所示。拟合曲线的参数如表2所示。从表2中可以看出,拟合曲线和实际曲线之间的参数偏差很小,从而证明柔性仿生触角实现形状感知是可行的,为实现更复杂形状物体的感知提供了基础。

图7 物体轮廓识别图Fig.7 Object contour map 表2 圆形截面拟合曲线参数 Tab.2 Parameters of the circular section fitting curve

圆心坐标/mm半径/mm理论值(0，0)25．00实验值(-1．22，-0．43)25．38误差偏移量≤1．221．52%

图8 被测物体Fig.8 Test object

6 结 语

本文提出了一种可应用于智能机器人上的柔性仿生触角,实验系统具有显示触角弯曲程度且可进行物体形状感知的功能。通过实验标定,获得了光纤光栅中心波长漂移量与曲率之间的线性关系。实验结果显示该基于多元光纤光栅的柔性仿生触角具有很好的曲率匹配率,相对误差在0.00001～0.004784之间,满足进行物体信息识别的要求,且通过实验获知的触觉传感器的曲率系数K值可以很好获取物体的坐标信息等。实验研究表明,该仿生柔性触角能够实现形状感知。本文所提出的测量方法,即通过对中心波长漂移量的获知便可进而得知所接触物体的位置信息,大大简化了传感器的机构,同时也提高了物体信息识别的准确程度。该方法在智能机器人形状感知方面具有应用前景。

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