一种力学各向异性圆柱体光纤光栅式三维力触觉传感器制造技术

本发明专利技术公开一种力学各向异性圆柱体光纤光栅式三维力触觉传感器对三维力的大小和方向识别的方法，属于触觉传感领域。所述三维力触觉传感器结构包括：硅橡胶、Fe3O4磁性颗粒、光纤光栅（FBG）；所述FBG在XOY平面内正交沿Z方向排布，硅橡胶中混合的Fe3O4颗粒在磁场作用下，沿X轴线性排布，硅橡胶固化后传感器成形。柔性硅橡胶圆柱体作为三维力的感知受体可将三维力转化为各种变形特征。受到法向力的作用圆柱体沿Z轴压缩，使得两根FBG同时压缩，中心波长同时向短波长方向漂移；通过两根FBG的中心波长漂移量正负及比例关系识别切向力的角度，通过漂移量的幅值识别切向力的大小。本发明专利技术通过简易、低成本的结构，实现了对三维力的方向识别和大小的高精确度测量。方向识别和大小的高精确度测量。方向识别和大小的高精确度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种力学各向异性圆柱体光纤光栅式三维力触觉传感器


[0001]本专利技术涉及柔性触觉传感领域，具体涉及一种可识别三维力的大小和方向的柔性触觉传感器。

技术介绍

[0002]随着智能机器人技术的不断发展，各部位通过控制器等技术的革新已实现高度的灵活性，伴随而来的是触觉缺失的问题。触觉传感测量的信息主要分为法向力、切向力、滑移力、形状识别、纹理检测等，后几者信息更多的是对前两者的主要信息的提取和分析。
[0003]三维力触觉传感器可以分辨并获取法相力和切向力的大小和方向，发展具有触觉感知能力的仿生机器人对机器人研究领域有着重要的科学意义。
[0004]虽然各个传感领域的学者已对触觉传感开展了研究，但机器人触觉的信息获取仍存在接触力检测灵敏度低、重复性差、易受外界干扰、解耦困难等问题。目前的触觉传感器主要为柔性体传感器，按照原理可以分为压阻式、电容式、压电式、电磁式、光图像式等，在日常存在电场、磁场情况下，极易导致得到的信号信噪比低、不稳定、重复性差、数据不准确等缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、体积小、灵敏度高的基于各向异性材料圆柱体正交嵌入双FBG同时可分辨并感知三维力（法向力、切向力）的大小和方向的触觉传感器。
[0006]解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种力学各向异性圆柱体光纤光栅式三维力触觉传感器，传感器内部主要由Fe3O4磁性颗粒、硅橡胶、FBG三个部分构成。
[0007]作为一种优选的技术方案，所述磁性颗粒为20 nm粒径的Fe3O4颗粒，与未固化的硅橡胶均匀混合，Fe3O4颗粒在磁场的作用下呈线性排布，固化后X方向和Y方向呈现不同的力学特性，构成力学各向异性柔性体。
[0008]作为一种优选的技术方案，所述FBG的中心波长为1543 nm，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，纤芯直径为9微米。
[0009]作为一种优选的技术方案，所述FBG在XOY平面内正交沿Z方向排布，嵌入未固化混有Fe3O4颗粒的硅橡胶，施加磁场下，磁性颗粒沿X轴线性排布，固化后传感器制作完成。
[0010]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，半径为1.5 cm，高度为1.5 cm。
[0011]作为一种优选的技术方案，所述传感器粘接在旋转位移台上，在三维力的作用下，柔性圆柱体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。
[0012]本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术的FBG式柔性三维力触觉传感器具有良好的柔性，可以确保在法向力和
切向力的作用下使柱状结构产生形变，在卸掉力之后复原回位，保证了传感器的重复性；2.本专利技术的FBG式柔性三维力触觉传感器仅需要两根FBG实现三维力的测量，不同于分布式光纤传感，极大地减少了数据的获取量，解调仪仅需两通道便可实现三维力的传感信息获取；3.本专利技术的FBG式柔性三维力触觉传感器使用硅橡胶、固化剂和Fe3O4粉末在磁场的作用下等待固化成型，形成力学各项异性的柔性材料。X轴与Y轴力学的差异性放大了切向力的分辨灵敏度，且对承受三维力的极限进行了提高；4.本专利技术中的硅橡胶为FBG进行了一体化的封装，保护了FBG；5.本专利技术的FBG式柔性三维力触觉传感器对比目前大多刚性结构结合柔性体触觉传感器，光纤的直径仅125微米可看做柔性的细线结合硅橡胶实现柔性+柔性的结合，提高了传感器的一体性。
附图说明
[0013]图1为本专利技术提出的三维力触觉传感器的结构示意图；图2为本专利技术提出的三维力触觉传感器的内部相对位置关系俯视示意图；图3为本专利技术提出的三维力触觉传感器的X方向和Y方力学各向异性曲线图；图4为本专利技术提出的三维力触觉传感器的法向力
‑
中心波长变化曲线图；图5为本专利技术提出的三维力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
[0014]现将结合本专利技术实施例中的附图，更全面地描述本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0015]图1至图2展示了本专利技术一个较佳的实施例的结构示意图，如图1和图2所示，专利技术一种力学各向异性柔性圆柱体FBG式三维力触觉传感器由外向内依次包括硅橡胶1、Fe3O4磁性颗粒2、FBG3。
[0016]如图1所示，本专利技术以硅橡胶1为主体外形圆柱结构。该传感器中Fe3O4颗粒2在未固化的硅胶中受到磁场的作用顺着X轴方向线性排布，在固化剂的作用下固化成型，X方向和Y方向呈现两种力学特性，同样大小的力在不同的切向角度导致柔性圆柱体的弯曲程度不同。两根中心波长为1543nm中心波长的FBG正交沿Z轴排布，距离中心点O相同的距离。
[0017]如图2虚线部分所示，由于Fe3O4颗粒在磁场的作用下沿X轴呈线性状态，即圆柱体对来自X方向力和X方向力的分量存在阻碍作用，而Y方向力并不呈现该阻碍作用。
[0018]图3的测试数据结果也印证了上述结论，为了验证沿材料X、Y方向对于力学性质的各向异性，X轴负方向的力作用于FBG1的响应和Y轴负方向的力作用于FBG2的响应对比。呈现不同斜率的线性关系，X方向对切向力存在抵抗作用。
[0019]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。通过如图4所示预先标定的中心波长漂移量随力的大小的线性关系即可识别法向力的大小。
[0020]图5为FBG1和FBG2在不同角度切向力情况下中心波长的漂移量关系图（取绝对值，示例中切向力为6N）。FBG1在90
°‑
270
°
的切向力作用下漂移量为正值，0
°‑
90
°
、270
°‑
360
°
的切向力作用下漂移量为负值；FBG2在0
°‑
180
°
的切向力作用下漂移量为正值，180
°‑
360
°
的切向力作用下为负值。
[0021]本专利技术所述的柔性传感器通过波长漂移量的正负及大小比例关系确定切向力的角度，通过测试所得FBG中心波长漂移量随不同角度切向力的线性关系识别切向力的大小。
[0022]本文中应用了具体个例对本专利技术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专利技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本专利技术的思想，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专利技术的限制。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种力学各向异性圆柱体光纤光栅式三维力触觉传感器，其特征在于，包括硅橡胶主体结构、Fe3O4磁性颗粒、两根FBG；所述硅橡胶主体结构为圆柱体形状，所述Fe3O4磁性颗粒沿X轴方向呈线性排布于成型的硅橡胶之中，所述FBG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所述的力学各向异性圆柱体光纤光栅式三维力触觉传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将硅橡胶、Fe3O4磁性颗粒和固化剂均匀混合，真空机抽真空后倒入圆柱体模具中；2）2根FBG放置于未固化的硅橡胶圆柱主体结构中在XOY平面内正交沿Z方向排布；3）模具放置于磁场环境中，Fe3O4磁性颗粒受到磁场的作用沿X轴运动且呈现均匀的线性分布，静置48小时，硅胶...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杭洲，李泽仁，金可臻，朱加杰，淡金肖，李家葳，吕仕奇，孙铂程，
申请(专利权)人：西安布拉戈光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：