面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法技术

本发明专利技术提供了一种面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，属于传感器制作技术领域。解决了应变非均匀性的技术问题。其技术方案为：包括以下步骤：步骤一、利用ANSYS仿真分析机器人手指压触觉传感过程；步骤二、模具设计为三合模结构；步骤三、传感器制作；步骤四、将制成的传感器与解调仪、计算机组成触觉传感系统，粘贴于机器人手指上，进行触觉感知监测；步骤五、搭建的光纤光栅触觉传感检测系统。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术调整方孔结构的光栅埋入深度，减弱光栅路径上的非均匀应变。匀应变。匀应变。

【技术实现步骤摘要】
面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法


[0001]本专利技术涉及传感器制作
，尤其涉及一种面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法。

技术介绍

[0002]目前应用于机器人手指的触觉传感器主要有压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器、电容式触觉传感器、及光纤光栅触觉传感器等。随着机器人越来越多投入到复杂的工作环境，传统的电类传感器容易受到电磁干扰的影响，而非电类传感器比如光纤布拉格光栅传感器，可以很好的避免这类问题。
[0003]国外对FBG触觉传感器研究较早。2008年，来自美国斯坦福大学的Park等人以节肢动物的外骨骼为灵感制作了仿生手指并将FBG传感器嵌入镂空的手指中，该仿生手指可以分辨0.1N的力，2013年，德国宇航中心的Haslinger等同样设计了一种光纤光栅六维力传感器，该传感器可在最大20N力和1.5x10
‑3N
·
m下仍可正常工作，此外该传感器还增加温度补偿的FBG，因不受电磁干扰未来还可以集成到核磁共振仪器中。
[0004]国内对FBG触觉传感器的研究虽然起步较晚，但是也取得了许多成果。2015年，山东大学的蒋齐等研制了一种3x3的FBG触觉传感器基体，该传感器根据有限元仿真结果按照一定的空间距离排列，并使用不同的压力对每个位置进行了测试。2017年，该团队针对埋入PDMS中的FBG受非均匀应变问题，设计了两种触觉传感单元阵列：第一种触觉传感单元将FBG粘贴在半圆金属片的下方，用液态的PDMS浇筑成型，对该传感器施加0r/>‑
10N的测试压力，其线性度和重复性较好，灵敏度达到了0.38nm/N；第二种传感模型的整体结构全部采用PDMS结构制成，光纤光栅封装在PDMS结构中间，该传感器的灵敏度达到了0.29nm/N。综上，目前大部分成果没有考虑到FBG触觉传感器的均匀应变需求，而少数符合均匀应变需求的FBG触觉传感器不适用于机器人手指。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，本专利技术调整方孔结构的光栅埋入深度，可以减弱光栅路径上的非均匀应变。
[0006]本专利技术是通过如下措施实现的：面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，其中，包括以下步骤：
[0007]步骤一、利用ANSYS仿真分析机器人手指压触觉传感过程，并依据手指指节大小设计出适合各种机器人手指尺寸的柔性FBG触觉传感器；基于光纤光栅触觉传感器原理设计三种基体结构，利用有限元仿真得到了不同结构内光纤光栅的轴向应变，由轴向应变大小及变化情况确定选择合适的基体结构，得均匀轴向应变的方孔结构，通过模拟路径上的应变值确定基体结构上的方孔尺寸；通过埋入基体结构的FBG仿真分析确定埋入深度；
[0008]步骤二、模具设计为三合模结构，模具材料选择为铜，下模腔体的中心线处留有一道凹槽，用来固定光纤光栅，腔体侧边增加了矩形槽，用来浇筑PDMS混合液，上模保留1mm深
度的方槽，对应光纤光栅埋入深度距上表面1mm，上模与下模采用螺栓紧固，侧边的活动块在腔体内注入PDMS混合液后以插销的形式插入，其凸出的矩形块在腔体内形成方孔，通过更改侧边的矩形块，便能得到实心结构和方孔结构两种模型；
[0009]步骤三、传感器制作时，将PDMS胶水和固化剂按照10:1的比例混合搅拌均匀，在常温下静置一小时以上去除溶液中的微小气泡，光纤光栅提前布设在凹槽内，上下模之间用螺栓拧紧，将PDMS混合液从侧边缓慢倒入，再将活动块缓慢推进，多余的液体会从排液孔排除，活动块与上下模用C字夹锁紧，确保活动块不滑动，最后将完成浇筑的模具放入干燥箱中烘烤130分钟，温度为75摄氏度，根据此方法分别制作了实心和带孔结构的传感元件，光栅栅长为2mm；
[0010]步骤四、将制成的传感器与解调仪、计算机组成触觉传感系统，粘贴于机器人手指上，进行触觉感知监测；
[0011]步骤五、搭建的光纤光栅触觉传感检测系统，包含以下主要设备：方孔结构柔性光纤光栅触觉传感器、压力机、解调设备和计算机，方孔结构柔性光纤光栅触觉传感器的一端用接头与检测设备相连，计算机端口与检测设备相连接，通过计算机得到实时的方孔结构柔性光纤光栅触觉传感器中心波长偏移值；实施加载的压力机由两部分组成，包括螺旋支架与压力计，触觉传感器受到压力机的均布力载荷后，计算机通过解调仪测得中心波长偏移值，同时得到加载力，实时获得机械手指的受载情况。
[0012]作为本专利技术提供的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法进一步优化方案，所述步骤一中的光纤光栅触觉传感器制作包括以下步骤：
[0013]步骤1：清洁模具；
[0014]步骤2：制备PDMS混合液；
[0015]步骤3：封装光纤光栅；
[0016]步骤4：烘烤成型；
[0017]步骤5：脱模；
[0018]步骤6：清洗模具。
[0019]作为本专利技术提供的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法进一步优化方案，所述步骤1中清洁模具具体内容为：用酒精喷雾及丝绵清洗模具，实现腔体内无异物和大颗粒灰尘。
[0020]作为本专利技术提供的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法进一步优化方案，所述步骤2中制备PDMS混合液的具体步骤如下：
[0021](2
‑
1)将PDMS胶水和固化剂按照10:1的比例倒在玻璃容器中；
[0022](2
‑
2)用玻璃棒沿着一个方向搅拌一分钟使固化剂和胶水充分融合；
[0023](2
‑
3)将搅拌好的溶液在常温下静置一小时以上去除溶液中的微小气泡。
[0024]作为本专利技术提供的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法进一步优化方案，所述步骤3中封装光纤光栅的具体步骤如下：
[0025](3
‑
1)将带有光栅的光纤布设在下模的凹槽内；
[0026](3
‑
2)光纤光栅与模具的边缘处用记号笔做上标记，用以确定光栅在弹性体中的位置；
[0027](3
‑
3)将上下模用螺栓拧紧，保证光栅在腔体内不变形；
[0028](3
‑
4)接下来将PDMS混合液从侧边缓慢倒入，直至液体漫出；
[0029](3
‑
5)再将侧边活动块缓慢插入，多余的液体从活动块上的排液孔慢慢排出；
[0030](3
‑
6)最后用C字夹从上下模外侧紧固，保证活动块不滑动。
[0031]作为本专利技术提供的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法进一步优化方案，所述步骤4中烘烤成型的具体内容为：PDMS混合液在常温下需要静置12小时才能成型，为了缩短成型时间，将完成浇筑的模具放入干燥箱中烘烤130分钟，温度为75摄氏度。
[0032]作为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、利用ANSYS仿真分析机器人手指压触觉传感过程，并依据手指指节大小设计出适合各种机器人手指尺寸的柔性FBG触觉传感器；基于光纤光栅触觉传感器原理设计三种基体结构，利用有限元仿真得到了不同结构内光纤光栅的轴向应变，由轴向应变大小及变化情况确定选择合适的基体结构，得均匀轴向应变的方孔结构，通过模拟路径上的应变值确定基体结构上的方孔尺寸；通过埋入基体结构的FBG仿真分析确定埋入深度；步骤二、模具设计为三合模结构，模具材料选择为铜，下模腔体的中心线处留有一道凹槽，用来固定光纤光栅，腔体侧边增加了矩形槽，用来浇筑PDMS混合液，上模保留1mm深度的方槽，对应光纤光栅埋入深度距上表面1mm，上模与下模采用螺栓紧固，侧边的活动块在腔体内注入PDMS混合液后以插销的形式插入，其凸出的矩形块在腔体内形成方孔，通过更改侧边的矩形块，便能得到实心结构和方孔结构两种模型；步骤三、传感器制作时，将PDMS胶水和固化剂按照10:1的比例混合搅拌均匀，在常温下静置一小时以上去除溶液中的微小气泡，光纤光栅提前布设在凹槽内，上下模之间用螺栓拧紧，将PDMS混合液从侧边缓慢倒入，再将活动块缓慢推进，多余的液体会从排液孔排除，活动块与上下模用C字夹锁紧，确保活动块不滑动，最后将完成浇筑的模具放入干燥箱中烘烤130分钟，温度为75摄氏度，根据此方法分别制作实心和带孔结构的传感元件，光栅栅长为2mm；步骤四、将制成的传感器与解调仪、计算机组成触觉传感系统，粘贴于机器人手指上，进行触觉感知监测；步骤五、搭建的光纤光栅触觉传感检测系统，包含以下主要设备：方孔结构柔性光纤光栅触觉传感器、压力机、解调设备和计算机，方孔结构柔性光纤光栅触觉传感器的一端用接头与检测设备相连，计算机端口与检测设备相连接，通过计算机得到实时的方孔结构柔性光纤光栅触觉传感器中心波长偏移值；实施加载的压力机由两部分组成，包括螺旋支架与压力计，触觉传感器受到压力机的均布力载荷后，计算机通过解调仪测得中心波长偏移值，同时得到加载力，实时获得机械手指的受载情况。2.根据权利要求1所述的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，其特征在于，所述步骤一中的光纤光栅触觉传感器制作包括以下步骤：步骤1：清洁模具；步骤2：制备PDMS混合液；步骤3：封装光纤光栅；步骤4：烘烤成型；步骤5：脱模；步骤6：清洗模具。3.根据权利要求2所述的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，其特征在于，所述步骤1中清洁模具具体内容为：用酒精喷雾及丝绵清洗模具，实现腔体内无异物和大颗粒灰尘。4.根据权利要求2所述的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，其特征在于，所述步骤2中制备PDMS混合液的具体步骤如下：
(2
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1)将PDMS胶水和固化剂按照10:1的比例倒在玻璃容器中；(2
‑
2)用玻璃棒沿着一个方向搅拌一分钟使固化剂和胶水充分融合；(2
‑
3)将搅拌好的溶液在常温下静置一小时以上去除溶液中的微小气泡。5.根据权利要求2所述的面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆观，伏诗文，徐一鸣，邱自学，张磊，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：