仿生柔性觸角形狀感知光纖傳感方法研究

趙利明,董明利,李 紅,孫廣開,祝連慶

(北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心,北京 100016)

1 引 言

智能機器人技術已成為當今應用廣泛、發展最令人矚目的高新技術,其發展越來越受到世界各國的高度關注。被測物體的信息識別是智能機器人的重要感知能力。機器人只有在感知物體存在并能夠確定其形狀的情況下才能實現智能抓取、跟蹤等任務。不斷提高形狀檢測的精確性、對復雜環境的適應性以及對目標各種變化的魯棒性非常必要。通過仿生觸角系統可感知對象物體的材質和形狀[1-3]；準確探測、識別地形變化,使機器人具備在能見度低且復雜的環境中進行安全導航的能力,并能確保自身結構和功能的完整性。

機器人感知物體形狀采用的傳感器主要包括：激光傳感器、壓阻式觸覺傳感器、電容式觸覺傳感器等,但這些傳感器在應用中存在若干問題。激光傳感器可以實現無接觸遠距離測量,但在煙霧等惡劣環境下無法應用。現有的壓阻式、電容式[4]方法與柔性材料的相容性差,難以進行準確探測。因此,為了適應復雜惡劣的環境并與柔性材料兼容,需要研究有效的柔性傳感方法。

光纖傳感器具有柔韌可變形、重量輕、體積小、結構簡單等、靈敏度高、響應速度快的優點,且在惡劣環境下具有諸如敏感和抗干擾能力強等特性,光纖式觸覺傳感器在機器人上具有應用前景,但光纖光柵在仿生柔性觸角上的研究較少。吳仲臺[5]等人設計了一種光纖光柵形狀傳感器,并對傳感器的封裝工藝進行了精度分析。Zhao[6]等人設計了一種基于光纖光柵的生物晶須陣列,通過對晶須撓度的測量獲取物體的距離信息。以上研究為光纖光柵在物體形狀感知方面的應用拓寬了基礎,但在形狀感知過程中傳感器彎曲形態的獲知方面還欠缺研究。

為了解決這些問題,本文研究一種基于多元光纖光柵陣列的柔性仿生觸角傳感方法,主要研究光纖光柵中心波長漂移量與仿生柔性觸角因接觸物體彎曲而產生的曲率之間的關系,驗證仿生柔性觸角在形狀感知方面的可行性,為復雜物體的形狀感知提供基礎。

2 柔性仿生觸角結構設計

基于柔性可恢復的設計理念,柔性仿生觸角的基材選取直徑為2 mm鈦鎳記憶合金絲,于記憶合金絲的外側布設三根光纖光柵,且兩兩間成120°角。每根光纖光柵上均勻分布三個柵區,光纖光柵使用DP420高性能粘合劑進行固定。待觸覺傳感器封裝完畢后,在其外部添加熱縮管以達到保護傳感器的目的。這種設計的主要優勢是三個不同方向上的FBG測量點相互之間為補償匹配關系,可以進行溫度補償和拉伸應力的補償，如圖1所示。

當觸覺傳感器和物體接觸或者受到橫向壓力,記憶合金絲會產生微小的軸向應變,與此同時,粘合在其內側面的FBG隨之產生相同的應變,使得FBG的中心波長發生變化。得知中心波長的漂移量便可進一步獲知FBG的曲率變化情況。

圖1 柔性仿生觸角基礎設計Fig.1 Basic design of flexible bionic antenna

3 重構算法

3.1 FBG空間曲率傳感

在溫度恒定的條件下,FBG受軸向應變量ε的表達式為：

(1)

當柔桿發生彎曲時,FBG的彎曲程度產生應變ε,導致其反射譜中心波長λB發生漂移量ΔλB,由公式(1)得出此漂移量ΔλB與應變ε成正比。設柵區長度為s,柔桿直徑為d,曲率半徑為ρ,有：

(2)

推出曲率半徑ρ表達式為：

(3)

因此推出曲率半徑ρ的倒數曲率k表示為：

(4)

多元光纖柔性觸覺傳感器網絡布局測量空間曲率原理如圖2所示。設檢測方向a的曲率大小為ka,方向b與c上曲率為kb、kc。建立右手坐標系,規定a方向為y軸正方向。

圖2 空間曲率測量原理Fig.2 Principle of space curvature measurement

則x軸方向上的曲率kx為：

(5)

y軸方向上的曲率ky為：

(6)

當觸角接觸到物體時,FBG中心波長的漂移量可以明確獲知,接下來將研究分析如何通過實驗獲知的中心波長漂移量Δλ獲取接觸點的坐標,進而獲取被測物體的空間信息,達到觸角對被測物體信息探知的目的。

(7)

3.2 三維重構的實現

基于多元光纖光柵的柔性仿生觸角三維重構是基于MATLAB與LabVIEW的聯調實現的,可達到柔性觸角于PC端的實時彎曲顯示的目的。柔性仿生觸角于任意方向彎曲,其彎曲形態可直觀地在顯示器上獲知,且由于觸角彎曲而導致的中心波長漂移量同樣可明確得到。

圖3 柔性觸角點坐標計算模型Fig.3 Flexible antenna point coordinate calculation model

4 實驗系統

由于笛卡爾機器人可以進行廣泛而精確的運動,因而被用作本實驗的三維位移平臺。觸覺傳感器因接觸物體而產生的彎曲上傳到PC機上,并可實時處理,進一步確認機器人的后續運動。機器人(雅馬哈YK600XG)的運動范圍為300 mm×300 mm×200 mm,且X-Y方向的最高移動速度為840 mm/s,Z方向的最大移動速度為230 mm/s,機器人的重復定位精度為±0.01 mm,它可以承受的最大載荷為10 kg。觸覺傳感器固定于機器人的機械臂末端,大角度的彎折可能導致傳感器的損壞,所以要求我們盡可能仔細地控制接觸。在觸角的移動過程中存在如觸角振蕩等情況,會對測量產生一定的影響。從PC端通過RS232電纜和RCX240適用控制器下傳操作指令,完成路徑積分,并帶動馬達,實現機械臂的移動。機器人的編程語言是類似BASIC語言的簡單編程語言,可簡易地記述復雜的機器人動作。

實驗平臺的基礎搭建基于通過PC端控制機器人機械臂的位置準確移動,在機械臂末端固定多元柔性觸角傳感器且與解調儀相連,觸覺傳感器形變而導致的中心波長漂移量可在另一PC端直觀獲知,并可實時得知觸角的彎曲程度。實驗平臺基礎搭建如圖4所示。

圖4 光纖傳感實驗系統Fig.4 Optical fiber sensing experiment system

5 實驗分析

5.1 曲率標定

觸覺傳感器封裝完成之后,由于傳感器彎曲曲率k與其中心波長漂移量ΔλB成正比,因此要對觸覺傳感器的曲率系數K值進行標定。曲率標定板選用鋁合金為基材,鋁板上銑了不同曲率半徑的標準圓弧型凹槽,標定板的直徑為2.5 mm,可用于放置傳感器。標定時將觸覺傳感器固定于標定板不同曲率半徑的凹槽內,用于研究光纖光柵在不同曲率下的中心波長變化情況。實驗選取直線以及曲率半徑分別為1000 mm,400 mm,330 mm,240 mm的五種不同圓弧進行實驗分析。

光纖光柵的Bragg波長是隨光柵的周期和纖芯模的有效折射率變化的,因此Bragg波長對于外界力、熱負荷等極為敏感。應變影響Bragg波長是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應引起的。當外界的應力等參量發生變化時,Bragg波長的變化可表示為：ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ,其中Λ是光柵周期,neff是纖芯等效折射率。由于FBG彎曲時所處的位置不同,故其受到拉伸或者壓縮的作用也不同,實驗中,光纖a受到壓縮作用,光纖a的光柵周期變短,則光纖a的中心波長應向波長減小的方向漂移。光纖b、c受到拉伸的作用,光纖b、c的光柵周期變長,則其的中心波長應向波長增大的方向漂移。本實驗中各光纖光柵的中心波長的漂移情況如圖5所示。

三根不同光纖的中心波長漂移量與曲率之間的線性關系如圖6所示。擬合曲線的斜率即為觸覺傳感器的曲率系數K值,其中光纖a的曲率系數Ka為0.96839,光纖b 的曲率系數Kb為0.61785,光纖c的曲率系數Kc為0.51567。進行信息識別的實驗時,仿生柔性觸角接觸物體,由相應的中心波長漂移量可獲知具體的曲率變化及位置坐標信息,隨著觸角的持續運動可以獲知整個物體的輪廓,達到物體形狀感知的目的。

圖5 光纖光柵中心波長漂移情況Fig.5 Optical fiber grating center wavelength drift

圖6 波長漂移量—曲率關系圖Fig.6 Wavelength drift-curvature diagram 表1 不同彎曲程度下的曲率匹配相對誤差 Tab.1 The curvature of different bending degree matches the relative error

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

在不同彎曲程度下的曲率匹配相對誤差如表1所示。由于傳感器封裝的影響,對三根FBG進行了一定的拉伸應力補償,其中光纖a的補償系數為1.247,光纖b的補償系數為1.992,光纖c的補償系數為2.398。實驗結果表明,該柔性仿生觸角傳感器能夠在不同的彎曲程度下很好的匹配相應的曲率,為被測物體的信息識別提供了可靠的保障。

5.2 輪廓識別

柔性仿生觸角在接觸物體時會產生一定撓度的彎曲,通過中心波長漂移量可以獲取相應接觸點的位置坐標。選取圓柱作為被測物體,柔性仿生觸角繞著圓柱穩定地走過一段圓弧,將所獲得的被測物體的坐標點進行擬合,并將擬合所得的物體輪廓圖與實物理論圖進行對比。

使用MATLAB對坐標點進行擬合,擬合結果如圖7所示。擬合曲線的參數如表2所示。從表2中可以看出,擬合曲線和實際曲線之間的參數偏差很小,從而證明柔性仿生觸角實現形狀感知是可行的,為實現更復雜形狀物體的感知提供了基礎。

圖7 物體輪廓識別圖Fig.7 Object contour map 表2 圓形截面擬合曲線參數 Tab.2 Parameters of the circular section fitting curve

圓心坐標/mm半徑/mm理論值(0，0)25．00實驗值(-1．22，-0．43)25．38誤差偏移量≤1．221．52%

圖8 被測物體Fig.8 Test object

6 結 語

本文提出了一種可應用于智能機器人上的柔性仿生觸角,實驗系統具有顯示觸角彎曲程度且可進行物體形狀感知的功能。通過實驗標定,獲得了光纖光柵中心波長漂移量與曲率之間的線性關系。實驗結果顯示該基于多元光纖光柵的柔性仿生觸角具有很好的曲率匹配率,相對誤差在0.00001～0.004784之間,滿足進行物體信息識別的要求,且通過實驗獲知的觸覺傳感器的曲率系數K值可以很好獲取物體的坐標信息等。實驗研究表明,該仿生柔性觸角能夠實現形狀感知。本文所提出的測量方法,即通過對中心波長漂移量的獲知便可進而得知所接觸物體的位置信息,大大簡化了傳感器的機構,同時也提高了物體信息識別的準確程度。該方法在智能機器人形狀感知方面具有應用前景。

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