一种指尖三维力光纤光栅传感器及优化方法技术

本发明专利技术提供了一种指尖三维力光纤光栅传感器及优化方法。若干LET柔性铰链组合形成了传感器弹性体，若干光纤光栅分别对应穿置于传感器弹性体内，并在各光纤光栅的一半采用化学镀镍及电镀镍工艺处理，另一半不做处理，同时实现了温度解耦、感知被测对象力变化的功能。本发明专利技术还通过Design

【技术实现步骤摘要】
一种指尖三维力光纤光栅传感器及优化方法


[0001]本专利技术涉及多维力光纤传感
，尤其涉及一种指尖三维力光纤光栅传感器及优化方法。

技术介绍

[0002]随着机器人智能化的飞速发展，机器人对外界信息的力触觉感知越来越重要，往往需要机器人具备力触觉信息反馈才能更加精准地完成各种精细、复杂的作业内容。机器人指尖多维力传感器是机器人力触觉感知的重要手段，其传感性能将直接影响到整个机器人系统感知与控制的准确性。目前所研究的机器人指尖多维力传感器，在弹性体结构上多为管状结构、横梁结构和Stewart平台结构三种，存在轴向灵敏度较低、灵敏度一致性较差、设计及制造过程繁琐等缺点；在敏感元件上多采用电阻应变片，信号引线数量较多，不利于微型化和集成化，存在抗电磁干扰能力较弱、线性度差的缺点。
[0003]基于光纤光栅设计的机器人指尖多维力传感器相比于传统的电阻应变片具有突出优势，如不受电磁干扰、引线较少等，更加适用于各类多场复杂环境。目前，基于光纤光栅设计的机器人指尖多维力传感器多采用粘贴式布置，应变传递率低，难以满足高灵敏、高精度力感知的需求，而且目前基于光纤光栅设计的机器人指尖多维力传感器还存在体积偏大，未考虑温度自补偿等缺点。
[0004]综上所述，针对传统的机器人指尖多维力传感器上述缺点，研究一种结构紧凑、精密灵巧、可实现温度解耦的新型光纤光栅机器人指尖多维力传感器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种非应变片式感应元件、结构紧凑、能进行温度自补偿的指尖三维力光纤光栅传感器及优化方法。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术提供了一种指尖三维力光纤光栅传感器，包括，
[0007]若干LET柔性铰链，均包括弧形的本体，本体轴向延伸方向两端分别设置有扇形端部，扇形端部的边缘向着本体的中心轴方向收缩；所述若干LET柔性铰链的本体靠近两扇形端部处均设置有径向贯通的第一窗口；各LET柔性铰链两端的扇形端部对应的设置有一对贯穿的固定孔；
[0008]若干光纤光栅，分别对应穿置于若干LET柔性铰链的两个的扇形端部的一对固定孔内，并与LET柔性铰链固定连接；
[0009]指尖端盖，设置在所述若干LET柔性铰链轴向延伸方向的同一侧，并与该侧的若干LET柔性铰链的扇形端部分别抵持；用于将外界作用的三维力传递给若干LET柔性铰链和若干光纤光栅；
[0010]其中，若干LET柔性铰链顺次合围形成中空的圆柱状结构，相邻的LET柔性铰链两端的扇形端部相互抵持固定，且相邻的LET柔性铰链的本体间隔设置，相邻的本体之间的间
隔区域内形成径向贯通的第二窗口；所述若干光纤光栅的栅区还设置有镀镍层。
[0011]在以上技术方案的基础上，优选的，所述若干光纤光栅的栅区位于各LET柔性铰链的两扇形端部的中间位置，且镀镍层位于靠近指尖端盖一侧的一半栅区的表面区域，栅区的另一半表面区域不镀镍。
[0012]优选的，所述若干LET柔性铰链的中心轴共线设置；若干光纤光栅的轴向延伸方向与若干LET柔性铰链的轴向延伸方向平行设置。
[0013]优选的，所述第一窗口为扇形孔，第一窗口在所述圆柱状结构的外表面的投影为矩形，在圆柱状结构的径向截面的投影为扇形。
[0014]优选的，所述第二窗口为阶梯形孔，第二窗口在所述圆柱状结构的外表面的投影为阶梯形，在圆柱状结构的径向截面的投影为扇形。
[0015]在以上技术方案的基础上，优选的，还包括第一连接件和第二连接件；
[0016]所述第一连接件的一端固定设置在所述若干LET柔性铰链轴向延伸方向的一端，并与该侧的各扇形端部固定连接；指尖端盖靠近若干LET柔性铰链的表面中心设置有环形凹槽，第一连接件的另一端与环形凹槽的内表面固定连接；
[0017]所述第二连接件，设置在所述若干LET柔性铰链轴向延伸方向的另一端，并与该侧的各扇形端部固定连接；第二连接件的另一端朝着远离若干LET柔性铰链的方向向外延伸。
[0018]另一方面，本专利技术还提供了一种指尖三维力光纤光栅传感器的优化方法，包括如下步骤：
[0019]配置上述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，配置四个LET柔性铰链和四个光纤光栅，各光纤光栅周向对称排布且与LET柔性铰链一一对应设置，不相邻的两个光纤光栅与圆柱状结构的中心轴共面设置，将各LET柔性铰链组合后的圆柱状结构作为传感器弹性体；
[0020]确定输入变量、包含各光纤光栅的应变均值在内的输出变量和优化目标，建立传感器弹性体的响应面模型；其中，输入变量包括第一窗口和第二窗口的尺寸；输出变量包括在传感器弹性体受到轴向力Fz作用下各光纤光栅的应变均值，以及传感器弹性体受到横向力Fx或者纵向力Fy作用下的各光纤光栅的应变均值；
[0021]通过Design
‑
expert软件进行数据分析，选择二次方程式进行拟合，得到各输出变量的代数表达式；
[0022]令任意荷载加载到传感器弹性体后，作为输出通道的各光纤光栅受力的作用产生形变导致中心波长发生漂移，令中心波长漂移量Δλ与荷载F的关系为Δλ＝C
·
F；C为应力柔顺矩阵，C＝KC1，其中C1为应变
‑
力转化矩阵，K为输出
‑
应变转换系数；
[0023]结合响应面模型计算出应变
‑
力转化矩阵C1；根据中心波长漂移量的理论模型，求得输出
‑
应变转换系数K，并进一步获取传感器弹性体的应力柔顺矩阵C；
[0024]基于多目标优化算法NSGAII对传感器弹性体进行输入变量尺寸的优化。
[0025]优选的，所述结合响应面模型计算出应变
‑
力转化矩阵C1，是对于任意外加载荷F＝(FxFyFz)
T
，传感器弹性体受力后各光纤光栅产生输出量为Δλ＝(Δλ
1 Δλ
2 Δλ
3 Δλ4)
T
，Δλ1、Δλ2、Δλ3和Δλ4分别为传感器弹性体上的四个光纤光栅输出的中心波长漂移量；对于应变
‑
力转化矩阵C1，其参数仅受传感器结构尺寸影响，可用代数式表示：
[0026]应变
‑
力转化矩阵c1中的元素a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3、c0、c1、c2和c3为待求变量，即通过已知的三维荷载和响应面模型求得的应变的代数式，应变
‑
力转化矩阵C1解耦后，其内部的应变的代数式对应为各光纤光栅的应变均值；
[0027]根据响应面模型，令荷载F1＝(0 0 F
z
)
T
对应于(ε
a1 ε
a2 ε
a3 ε
a4
)
T
；荷载F2＝(F
x 0 0)
T
对应于(ε
b1 ε
b2 ε
b3 ε
b4
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种指尖三维力光纤光栅传感器，其特征在于，包括：若干LET柔性铰链(1)，均包括弧形的本体(11)，本体(11)轴向延伸方向两端分别设置有扇形端部(12)，扇形端部(12)的边缘向着本体(11)的中心轴方向收缩；所述本体(11)靠近两扇形端部(12)处均设置有径向贯通的第一窗口(100)；各LET柔性铰链(1)两端的扇形端部(12)对应的设置有一对贯穿的固定孔(13)；若干光纤光栅(2)，分别对应穿置于若干LET柔性铰链(1)的两个的扇形端部(12)的一对固定孔(13)内，并与LET柔性铰链(1)固定连接；指尖端盖(3)，设置在所述若干LET柔性铰链(1)轴向延伸方向的同一侧，并与该侧的若干LET柔性铰链(1)的扇形端部(12)分别抵持；用于将外界作用的三维力传递给若干LET柔性铰链(1)和若干光纤光栅(2)；其中，若干LET柔性铰链(1)顺次合围形成中空的圆柱状结构，相邻的LET柔性铰链(1)两端的扇形端部(12)相互抵持固定，且相邻的LET柔性铰链(1)的本体(11)间隔设置，相邻的本体(11)之间的间隔区域内形成径向贯通的第二窗口(200)；所述若干光纤光栅(2)的栅区还设置有镀镍层(300)。2.根据权利要求1所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，其特征在于，所述若干光纤光栅(2)的栅区位于各LET柔性铰链(1)的两扇形端部(12)的中间位置，且镀镍层(300)位于靠近指尖端盖(3)一侧的一半栅区的表面区域，栅区的另一半表面区域不镀镍。3.根据权利要求2所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，其特征在于，所述若干LET柔性铰链(1)的中心轴共线设置；若干光纤光栅(2)的轴向延伸方向与若干LET柔性铰链(1)的轴向延伸方向平行设置。4.根据权利要求3所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，其特征在于，所述第一窗口(100)为扇形孔，第一窗口(100)在所述圆柱状结构的外表面的投影为矩形，在圆柱状结构的径向截面的投影为扇形。5.根据权利要求3所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，其特征在于，所述第二窗口(200)为阶梯形孔，第二窗口(200)在所述圆柱状结构的外表面的投影为阶梯形，在圆柱状结构的径向截面的投影为扇形。6.根据权利要求1所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，其特征在于，还包括第一连接件(4)和第二连接件(5)；所述第一连接件(4)的一端固定设置在所述若干LET柔性铰链(1)轴向延伸方向的一端，并与该侧的各扇形端部(12)固定连接；指尖端盖(3)靠近若干LET柔性铰链(1)的表面中心设置有环形凹槽，第一连接件(4)的另一端与环形凹槽的内表面固定连接；所述第二连接件(5)，设置在所述若干LET柔性铰链(1)轴向延伸方向的另一端，并与该侧的各扇形端部(12)固定连接；第二连接件(5)的另一端朝着远离若干LET柔性铰链(1)的方向向外延伸。7.一种指尖三维力光纤光栅传感器的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：配置如权利要求1
‑
6任一项所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器，配置四个LET柔性铰链(1)和四个光纤光栅(2)，各光纤光栅(2)周向对称排布且与LET柔性铰链(1)一一对应设置，不相邻的两个光纤光栅(2)与圆柱状结构的中心轴共面设置，将各LET柔性铰链组合后的圆柱状结构作为传感器弹性体；
确定输入变量、包含各光纤光栅(2)的应变均值在内的输出变量和优化目标，建立传感器弹性体的响应面模型；其中，输入变量包括第一窗口(100)和第二窗口(200)的尺寸；输出变量包括传感器弹性体受到轴向力Fz作用下各光纤光栅(2)的应变均值，以及传感器弹性体受到横向力Fx或者纵向力Fy作用下的各光纤光栅(2)的应变均值；通过Design
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expert软件进行数据分析，选择二次方程式进行拟合，得到各输出变量的代数表达式；令任意荷载加载到传感器弹性体后，作为输出通道的各光纤光栅(2)受力的作用产生形变导致中心波长发生漂移，令中心波长漂移量Δλ与荷载F的关系为Δλ＝C
·
F；C为应力柔顺矩阵，C＝KC1，其中C1为应变
‑
力转化矩阵，K为输出
‑
应变转换系数；结合响应面模型计算出应变
‑
力转化矩阵C1；根据中心波长漂移量的理论模型，求得输出
‑
应变转换系数K，并进一步获取传感器弹性体的应力柔顺矩阵C：基于多目标优化算法NSGAII对传感器弹性体进行输入变量尺寸的优化。8.根据权利要求7所述的一种指尖三维力光纤光栅传感器的优化方法，其特征在于，所述结合响应面模型计算出应变
‑
力转化矩阵C1，是对于任意外加载荷F＝(Fx Fy Fz)
T
，传感器弹性体受力后各光纤光栅产生输出量为Δλ＝(Δλ
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【专利技术属性】
技术研发人员：李天梁，张奥，裴青峰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：