一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统及其测距方法，本测距系统括仿生触须传感器、底部基座、电机和解调仪，该系统受环境影响小，成本低，可多次重复使用，布线简单，使用方便，可靠性强，抗电磁干扰。本测距方法在机器人行进过程中利用所述电机转动带动所述仿生触须传感器转动进行扫描式感知，当机器人在行进过程中碰到障碍物后，将所述仿生触须传感器发生弯曲前后的FBG波长信号传输至所述解调仪解调，并将解调信号传输至上位机得到FBG波长变化量，在上位机内根据悬臂梁结构模型建立FBG波长变化量与光栅位置处的挠度的数学模型，得到光栅位置处的挠度，根据挠曲线微分方程得到接触距离，从而获得障碍物的位置信息。

A robot ranging system based on FBG biomimetic whisker sensor and its method

The invention relates to a robot measurement system FBG biominetic whisker sensor and its measurement method based on the distance measurement system, including biominetic whisker sensor, bottom base, motor and demodulator, this system is less affected by the environment, low cost, can be used repeatedly, simple wiring, convenient use, high reliability, anti electromagnetic interference. The location method using the rotation of the motor drives the rotation of biominetic whisker sensor scanning sensing in robot moving process, when the robot and obstacles in the process of running after the biominetic whisker sensor bending before and after the FBG wavelength signal transmitted to the demodulator and demodulation, and the demodulation signal is transmitted to the host machine FBG wavelength shift, the mathematical model in PC based on cantilever structure model of deflection of FBG wavelength shift and grating position, get the deflection grating position, according to the deflection differential equation obtained the contact distance, so as to obtain the position information of obstacles.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测距传感器的
，特别是涉及一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统及其方法。
技术介绍
目前，现有的机器人测距传感器主要有非接触式测距传感器和接触式测距传感器。非接触式传感器主要有红外传感器、超声波传感器、激光传感器及视觉传感器等，其中，激光传感器和视觉传感器价格贵，而且对控制器的要求较高，因此现有的移动机器人多采用超声波传感器或红外传感器进行测距。接触式测距传感器类似昆虫的触须,通过微动开关和相应的机械装置实现测距。这种触须式的传感器可以安装在移动机器人四周感知外界障碍物。超声波测距基于对渡越时间的测量，即测量超声波从发射换能器发出后被目标反射，沿原路返回到接收换能器所需的时间。由渡越时间和介质的声速即可测距。日本东京大学的Sasaik和Takano研制了一种由步进电机带动的超声测距传感器，可以在90度范围内进行扫描，它可以获得两维的位置，也可探测三维空间。在超声波测距中，超声波回波处理方法决定了系统的精度和反应速度，因此科研人员主要在该方面进行研究。然而，超声波传感器存在测量盲区的问题，声音的速度受温度和风向的干扰，有可能被吸音面给吸收。红外传感器基于三角测量原理。红外发射器按一定的角度发射红外光束，光束遇到物体后会发生反射；CCD检测器检测反射回来的红外光线并获得一个偏移值，利用三角关系，在知道了发射角度、偏移距、中心矩以及滤镜的焦距后，传感器到物体的距离就可以通过几何关系计算出来。然而，红外测距传感器存在检测最小距离太大的问题，而且对使用环境有相当高的要求，对于近似黑体的物体无法检测距离，且周围的光线等都能导致测量误差。触须传感器结构简单、测量精确，成本也低得多，具有广泛的应用前景。1992年日本学者Tsujimura和Yabuta采用柔性探针，利用其变形特性，根据探针顶端力大小或扭矩推出接触点的位置。2001年，欧洲IST启动了ArtificialMouse计划，成功研制出移动机器人系统AMouse，该机器人两侧安装触觉传感器负责两侧信息的获取，使移动机器人能顺利在各种未知环境中安全运动。2002年，MiriamFend小组采用柔性触须设计了电容式传感器，当外形轮廓不同时，触须根部频域信号就会变化，以此区别不同物体外形；将由三个触须传感器组成的阵列分别安装在机器人的两侧，尝试不同的形态组合确定最有效的避障方式；实验表明，机器人能有效避开障碍物。2004年，DaeEunKim实验小组研制了电磁式触须传感器，将触须根部信号进行分离，低频信号用来进行轮廓识别，高频信号用来进行纹理识别。2005年，美国加州大学一位工程系的博士生专利技术了一种类似蟑螂触须的触须传感器，该触须传感器可以摆动，将其安装在机器人上，当触须接触到靠近它的墙时会发出信号。2006年美国西北大学一个科研小组发现，老鼠触须触碰物体后会在其大脑中形成物体的三维模型，仿照这一原理开发出一种触须传感器阵列，通过计算触须的弯曲程度和力大小变化重构物体形状，利用这种阵列重构人脸。2008年，BIOTACT课题立项启动，目标是研制新颖的人工触须传感器，并将其安装在自主运动的机器人上实现搜索、识别、跟踪和快速捕获目标物。但是，上述触须传感器无法精确的计算出传感器距障碍物的距离，测量精度与测量速度需进一步提高。国内对触须传感器的研究较晚，主要集中在高校、科研单位里。上海交通大学设计了类似蜗牛触角的分节伸缩式触须传感器，通过直流电机正反转实现触须伸缩。但是，该分节伸缩式触须传感器存在一定问题，当探针与待测物体接触时会引起较大的变形，从而产生一定的误差。南京航空航天大学的谢清华、谷安等对触须传感器进行了大量研究，使触须传感系统的测量速度与精度大大提升，但是，该触须传感器在躲避障碍物的实验中仍要依靠经验公式，没有明确的理论推导，可靠性差。基于光纤的触须传感器在仿生触须的应用中具有非常大的优良特性，包括重量轻，体积小，复用能力，布线简单，并免于电磁干扰。哈尔滨工程大学机电学院的谭定忠、张立勋等科研小组对水下机器人的触须传感器进行了研究，根据光纤在外力作用下发生弯曲时传输光中有一部分从纤芯耦合入包层导致光强损耗的原理，以光纤作为传感元件，探针与传感器触点刚性连接，在探针横向四个方向上各有一个传感器，轴向有一个传感器，可实现二维平面各方向的检测。实验证明该传感器可使水下作业机器人准确判断自己的位置。然而在该论文中并未对基于光纤的触须传感器的测距系统及测距方法做过多研究。综上所述，现有技术中对于如何解决现有机器人测距系统及测距传感器受环境影响大，成本高，无法多次重复使用，制作、使用复杂，可靠性不强，抗电磁干扰的问题，尤其是无法测量离任意形状的障碍物距离的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术为了克服的现有技术中如何解决现有机器人测距系统及测距传感器受环境影响大，成本高，无法多次重复使用，制作、使用复杂，可靠性不强，抗电磁干扰的问题，尤其是无法测量离任意形状的障碍物距离的问题，提供一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，该系统包括仿生触须传感器、底部基座、电机和解调仪，所述底部基座外部侧面设置若干所述仿生触须传感器，所述底部基座内部安装所述电机，所述电机与所述仿生触须传感器连接，控制所述仿生触须传感器转动进行扫描式感知，所述仿生触须传感器与所述解调仪连接，所述解调仪与机器人的上位机连接，所述仿生触须传感器将FBG波长变化传输至所述解调仪解调，并将解调信号传输至上位机，由上位机进行信号分析得到机器人在运动过程中遇到的障碍物并得到离障碍物的距离。进一步的，所述底部基座采用空心六棱柱，空心六棱柱的六个外侧面中心位置均设置一个所述仿生触须传感器，所述仿生触须传感器与其连接的空心六棱柱的侧表面垂直。进一步的，所述仿生触须传感器包括仿生触须结构，所述仿生触须结构内部设置中空空间，所述中空空间内嵌入光纤，所述光纤的光栅位置设置到靠近仿生触须结构根部。进一步的，所述仿生触须结构采用圆柱形结构，所述仿生触须结构的材料采用聚二甲硅氧烷。进一步的，所述仿生触须结构的材料采用液态聚二甲硅氧烷和其配套的固化剂混合物混合组成；所述液态聚二甲硅氧烷和其配套的固化剂混合物的混合比例为质量比10：1。本专利技术为了克服的现有技术中如何解决现有机器人测距系统及测距传感器受环境影响大，成本高，无法多次重复使用，制作、使用复杂，可靠性不强，抗电磁干扰的问题，尤其是无法测量离任意形状的障碍物距离的问题，提供一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统的测距方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统的测距方法，应用于一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，所述方法包括以下步骤：(1)在机器人行进过程中利用所述电机转动带动所述仿生触须传感器转动进行扫描式感知，当机器人在行进过程中碰到障碍物后，所述电机停止运动，所述仿生触须传感器发生弯曲，嵌入在所述仿生触须传感器中的FBG波长发生变化；(2)将所述仿生触须传感器发生弯曲前后的FBG波长信号传输至所述解调仪解调，并将解调信号传输至上位机得到FBG波长变化量，在上位机内根据悬臂梁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：该系统包括仿生触须传感器、底部基座、电机和解调仪，所述底部基座外部侧面设置若干所述仿生触须传感器，所述底部基座内部安装所述电机，所述电机与所述仿生触须传感器连接，控制所述仿生触须传感器转动进行扫描式感知，所述仿生触须传感器与所述解调仪连接，所述解调仪与机器人的上位机连接，所述仿生触须传感器将FBG波长变化传输至所述解调仪解调，并将解调信号传输至上位机，由上位机进行信号分析得到机器人在运动过程中遇到的障碍物并得到离障碍物的距离。

【技术特征摘要】
1.一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：该系统包括仿生触须传感器、底部基座、电机和解调仪，所述底部基座外部侧面设置若干所述仿生触须传感器，所述底部基座内部安装所述电机，所述电机与所述仿生触须传感器连接，控制所述仿生触须传感器转动进行扫描式感知，所述仿生触须传感器与所述解调仪连接，所述解调仪与机器人的上位机连接，所述仿生触须传感器将FBG波长变化传输至所述解调仪解调，并将解调信号传输至上位机，由上位机进行信号分析得到机器人在运动过程中遇到的障碍物并得到离障碍物的距离。2.如权利要求1所述的一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：所述底部基座采用空心六棱柱，空心六棱柱的六个外侧面中心位置均设置一个所述仿生触须传感器，所述仿生触须传感器与其连接的空心六棱柱的侧表面垂直。3.如权利要求1所述的一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：所述仿生触须传感器包括仿生触须结构，所述仿生触须结构内部设置中空空间，所述中空空间内嵌入光纤，所述光纤的光栅位置设置到靠近仿生触须结构根部。4.如权利要求3所述的一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：所述仿生触须结构采用圆柱形结构，所述仿生触须结构的材料采用聚二甲硅氧烷。5.如权利要求4所述的一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：所述仿生触须结构的材料采用液态聚二甲硅氧烷和其配套的固化剂混合物混合组成；所述液态聚二甲硅氧烷和其配套的固化剂混合物的混合比例为质量比10：1。6.一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统的测距方法，应用于权利要求1-5任一所述一种基于FBG仿生触须传感器的机器人测距系统，其特征是：所述方法包括以下步骤：(1)在机器人行进过程中利用所述电机转动带动所述仿生触须传感器转动进行扫描式感知，当机器人在行进过程中碰到障碍物后，所述电机停止运动，所述仿生触须传感器发生弯曲，嵌入在所述仿生触须传感器中的FBG波长发生变化；(2)将所述仿生触须传感器发生弯曲前后的FBG波长信号传输至所述解调仪解调，并将解调信号传输至上位机得到FBG波长变化量，在上位机内根据悬臂梁...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋奇，赵晨璐，李贻斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37