一种基于光纤光栅的仿生触须装置的制作方法

本发明涉及仿生触须装置，具体涉及一种基于光纤光栅的仿生触须装置。

背景技术：

触须是海豹、海狮等海洋哺乳动物感应水中涡流的重要器官，能够帮助它们准确的确认鱼类在水中的游动产生的尾流，从而有效追踪和判断猎物的状态。猫科动物、鼠类、昆虫等陆生动物具有十分敏感的触须、触角或毛发结构，能够感知空气的流向和强度，或在黑暗中感知周围空间环境。进化而来的这一器官给这类动物带来了强大的生命力，在几亿年的优胜劣汰演化史中扮演着重要的角色。

如今科技迅猛发展，机器人行业正经历着前所未有的大发展大繁荣时代，各种奇思妙想通过科研所人员的努力，正在不断赋予机器人更多新的内容，使其更加智能强大。学习动物朋友的完美功能，是人类获得更大能力重要途径。诸如雷达、超声探测、鲨鱼皮、蚁穴通风系统等等，给人类带来巨大的技术进步。机器人作为将人类从重复繁重体力劳动中解放出来的新工具，早已成为世界各国争相抢夺的科技高地。

作为机器人，应当具备全方位准确的采集数据功能，高效、完善的处理数据功能，以及快速有效的输出功能。外部信号的采集作为这一环节的开始，是其中最为难以控制的部分，采集系统受环境、仪器、采集手段的制约，常常与真实量有较大偏差，如何有效的完成信号采集，是整个系统完美运作的前提。所以很有必要借鉴动物在这方面的优势，更多的研究高效的采集方式和手段。

将动物的触须结构与机器人结合无疑将带来机器人技术的大提升。作为环境参数的一种探测方法，触须不仅可以感知空间尺度，亦可感知空间流体的作用。其一大特点就是既能够有取向性的探测数据，也能够实现某一区域的场探测。能够实现单点测量和多点阵列测量。

光纤光栅从1978年问世以来，取得了巨大的飞跃，随着光栅写入技术的不断改进和优化，其价格大大降低，周期大大缩短、性能大大提高。与传统传感器相比，光纤光栅的测量是无源信号测量，传感器本身既是信号传输元件，也是信号感知元件，十分小巧，最大传输距离能够达到几十公里，信号损失小，电磁免疫强。可以实现准分布式写入，即在单根光纤上写入多个反射波长不同的光栅段，利于实现阵列测量。

在普通商用光纤的某一区域(长度约2-10mm)上周期性地改变纤芯的折射率，通过光纤内的布拉格衍射效应使特定波长的光受到强烈的反射。特定的光栅周期和有效折射率只对带宽很窄的一部分光波具有强烈的反射作用，而对其他波段的光波反射作用很微弱。通入宽带光波后，特定波长的光受到反射返回入射端，通过分光器导入探测器中，识别出这部分反射光的波长和相应的强度，通过识别出反射能量最大的光波对应的波长，可得到相应的测量物理量。

目前的仿触须传感器大多是基于应变电测法和激光测位移法实现。由于这些测量元件和弹性元件无法有效的实现小型化，分辨率难提高，结构臃肿，所以难以实现多点阵列测量。更为关键的是，机器人往往需要在极端环境下工作，如核反应堆、外太空、高温管道等，强电磁场以及大的温度波动对电测法都将带来巨大的干扰。传统电测法这些不能克服的缺陷将限制以电为信号载体的测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于光纤光栅的仿生触须装置，将光纤光栅与仿生触须结合在一起；

本发明的目的是这样实现的：我们将毛发结构进行力学结构简化，其实可以看成一个简单的悬臂梁模型，或者一根纤细的外伸梁，在靠近基部的位置连接有神经末梢，当外界扰动牵连到触须毛发时会产生拉压或者弯曲，变形和力传递至基部固连的神经末梢，响应的信号强弱能够被大脑识别，从而实现外部环境的感知。

本专利将上述结构简化和改进，提供了一种基于光纤光栅的仿生触须装置，其特征在于，包括相交且在水平面内的投影互相垂直的x轴光纤与y轴光纤、设置在所述x轴光纤与所述y轴光纤的交点处的连接件、竖直设置并穿过所述连接件的触须杆、设置在所述触须杆底部用于支撑所述触须杆的弹簧部；

在所述x轴光纤上并位于所述连接件的两侧分别设置有预应力施加部，在所述y轴光纤上并位于所述连接件的两侧分别设置有预应力施加部，各所述预应力施加部均位于同一水平面内且与连接件的距离相同，所述连接件位于所述预应力施加部所在的水平面的上方；

所述x轴光纤及所述y轴光纤上还设置有光纤光栅，所述光纤光栅位于所述预应力施加部与所述连接件之间。

进一步地，所述弹簧部包括具有中空结构的固定外壳，位于所述固定外壳内并与所述中空结构同轴设置有调高螺母，调高螺丝从所述固定外壳的底部穿入并穿过所述调高螺母，所述调高螺丝的顶部设置有下滑块，所述下滑块通过弹簧与上滑块相连接，所述上滑块的顶部与所述触须杆可动连接。

进一步地，所述预应力施加部具有对称结构并在水平轴心线方向设有供光纤穿过的光纤通道，所述预应力施加部包括具有中空结构并在水平相对的两端设有螺栓孔的固定座，连接螺栓的一端穿入所述螺栓孔，所述连接螺栓的另一端穿过固定螺母和调节螺母并与所述光纤固定件相连接。

进一步地，所述x轴光纤和y轴光纤上均涂敷有有机聚合物。

进一步地，所述触手杆具有羽毛状结构，用于感知风场中的风速。

进一步地，所述触须杆的顶部设置有球形轻质触头，所述球形轻质触头的球心位于所述触须杆的轴心线上。

进一步地，所述触须杆为大刚度材料制成的细长杆。

本发明的优点在于：本发明的仿生触须装置结构简单小巧，能够实现在极端环境下工作，当触须杆顶部设置有羽毛状结构时，可以测量小区域内流场的大小和方向；当触须杆选用大刚度材料时，将触须杆头部固定在某一被测点，可以测量该点的微小移动，而且利用预应力光纤本身固有的弹性来作为弹性构件，省去了额外的弹性附加结构。通过优化调节光纤保护层的组分和厚度，可以获得更为理想的弹性效果，最后本发明只需要观察的漂移量就能够实现从一维到三维的力或位移的测量，方法简单，精确性好，实用方便。

附图说明

图1为本发明一种基于光纤光栅的仿生触须装置的实施例的结构示意图；

图2为本发明一种基于光纤光栅的仿生触须装置的实施例的弹簧部的剖视图；

图3为本发明一种基于光纤光栅的仿生触须装置的实施例的预应力施加部的剖视图。

其中，

11-x轴光纤，111-fbg4光纤光栅，112-fbg2光纤光栅,12-y轴光纤，121-fbg1光纤光栅，122-fbg3光纤光栅，13-预应力施加部，131-光纤固定件，132-调节螺母，133-固定螺母，134-连接螺栓，135-固定座，21-连接件，31-触须杆，32-球形轻质触头，41-固定外壳，42-调高螺丝，43-调高螺母，44-弹簧，45-上滑块，46-下滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如附图1-3所示，本发明提供了一种基于光纤光栅的仿生触须装置，其特征在于，包括相交且在水平面内的投影互相垂直的x轴光纤11与y轴光纤12、设置在所述x轴光纤11与所述y轴光纤12的交点处的连接件21、竖直设置并穿过所述连接件21的触须杆31、设置在所述触须杆31底部用于支撑所述触须杆31的弹簧部；

在所述x轴光纤11上并位于所述连接件21的两侧分别设置有预应力施加部13，在所述y轴光纤12上并位于所述连接件21的两侧分别设置有预应力施加部13，各所述预应力施加部13均位于同一水平面内且与连接件21的距离相同，所述连接件21位于所述预应力施加部13所在的水平面的上方；

所述x轴光纤11及所述y轴光纤12上还设置有光纤光栅，所述光纤光栅位于所述预应力施加部13与所述连接件21之间。

进一步地，所述x轴光纤11与所述y轴光纤12水平十字交叉，相交处通过胶水互相固定。

进一步地，所述触须杆31的底端与弹簧部可动连接。

进一步地，所述x轴光纤11和所述y轴光纤12通过胶水固定在所述连接件21的内部。

进一步地，所述连接件21为球形。

进一步地，所述触须杆31竖直并沿直径穿过所述连接件21。

进一步地，x轴光纤11在连接件21的两侧分别刻有光纤光栅fbg2和光纤光栅fbg4，y轴光纤12在连接件21的两侧分别刻有光纤光栅fbg1和光纤光栅fbg3，如图1所示，即fbg4光纤光栅111、fbg2光纤光栅112、fbg1光纤光栅121、fbg3光纤光栅122。

进一步地，所述预应力施加部13通过螺丝固定在同一水平面上，所述预应力施加部13水平设置。

进一步地，所述x轴光纤11和所述y轴光纤12与水平面所成的角度相同。

所述弹簧部包括具有中空结构的固定外壳41，所述固定外壳41内，与所述中空结构同轴设置有调高螺母43，调高螺丝42从所述固定外壳41的底部穿入并穿过所述调高螺母43，所述调高螺丝42的顶部设置有下滑块46，所述下滑块46通过弹簧44与上滑块45相连接，所述上滑块45的顶部与所述触须杆31可动连接。

进一步地，通过旋转所述调高螺丝42，可对所述触须杆31和所述连接件21的高度进行调节。

进一步地，所述弹簧部位于各所述预应力施加部13所在水平面的下方。

进一步地，所述固定外壳41的所述中空结构竖直设置。

更进一步地，所述中空结构的横截面为圆形，所述调高螺母43的外直径大于所述中空结构的直径，所述调高螺母43的内直径等于所述中空结构的直径。

进一步地，所述上滑块45和所述下滑块46的外径略小于所述中空结构的直径。

进一步地，所述上滑块45和所述下滑块46可在所述中空结构内滑动。

进一步地，所述上滑块45的顶部与所述触须杆31可旋转连接。

更进一步地，所述触须杆31以与所述上滑块45的交点为轴心，在所述上滑块45的上方的圆锥形区域内自由转动。

更进一步地，所述上滑块45的顶部与所述触须杆31铰接。

所述预应力施加部13具有对称结构并在水平轴心线方向设有供光纤穿过的光纤通道，所述预应力施加部13包括具有中空结构并在水平相对的两端设有螺栓孔的固定座135，连接螺栓134的一端穿入所述螺栓孔，所述连接螺栓134的另一端与光纤固定件131相连接，所述光纤固定件131与所述固定座135之间设置有固定螺母133和调节螺母132。

进一步地，所述预应力施加部13具有对称结构，且对称轴竖直位于所述预应力施加部13的中点处。

进一步地，所述螺栓孔设置在所述预应力施加部13的沿光纤通道方向的两端端面的中心位置。

进一步地，所述光纤固定件131为酒瓶形，远离所述固定座135的一端的直径小于靠近所述固定座135一端的直径。

更进一步地，所述光纤固定件131、所述连接螺栓134的轴心线方向均设有所述光纤通道。

进一步地，所述调节螺母132固定于所述光纤固定件131的靠近所述固定座135的侧面上。

进一步地，所述连接螺栓134的螺帽位于所述固定座135的内部，并通过固定螺母133卡接在所述螺栓孔处。

进一步地，所述光纤通道内径略大于所述光纤外径。

进一步地，所述光纤通过胶水固定在所述光纤通道内。

进一步地，所述调节螺母132设置在所述光纤固定件131与所述固定座135之间的所述连接螺栓134上且连接于所述光纤固定件131的一端，所述固定螺母133设置在所述光纤固定件131与所述固定座135之间的所述连接螺栓134上，与所述固定座135的贴紧后，可将连接螺栓134固定在所述固定座135的一侧。

进一步地，将靠近所述连接件21的所述调节螺母132向所述固定座135方向旋进，可拉伸所述x轴光纤11和所述y轴光纤12。将靠近所述连接件21的所述调节螺母132向远离所述固定座135方向旋进，可使所述x轴光纤11和所述y轴光纤12处于松弛状态。将远离所述连接件21的所述调节螺母132向远离所述固定座135方向旋进，可使所述x轴光纤11和所述y轴光纤12处于拉伸状态。将远离所述连接件21的所述调节螺母132向所述固定座135方向旋进，可使所述x轴光纤11和所述y轴光纤12处于松弛状态。

更进一步地，旋转时，所述调节螺母132的旋转的圈数相同。

更进一步地，靠近所述连接件21的4个所述连接螺母与所述连接件21之间的距离相同。

更进一步地，旋转完所述调节螺母132后，使用刻度尺测量靠近所述连接件21的4个所述连接螺母与所述连接件21之间的距离，保证距离全部相同。

所述x轴光纤11和y轴光纤12上均涂敷有一层有机聚合物。

进一步地，所涂的有机聚合物的各部位的厚度相同。

所述触手杆31具有羽毛状结构。

进一步地，当所述触手杆31设置为羽毛状结构时，设备可作为风速仪使用。

更进一步地，具有羽毛状结构的触手杆31的根部与所述弹簧部顶部相连接，所述具有羽毛状结构的触手杆31竖直向上，所述羽毛状结构可增大受风面积，有利于对风的响应。

更进一步地，所述触手杆31的侧壁设置有分支，所述分支具有羽翼结构，所述羽翼结构可增大受风面积，有利于对风的响应。

更进一步地，具有羽毛状结构的触手杆31为对称结构。

更进一步地，所述触手杆31可为对称的絮状结构。

进一步地，不同类型的触须杆31，可测量微变形，或者流场。采用刚度很大的触须杆31，并将头部固定在某一被测点，可以测量该点的微小移动。头部设置对流场较为敏感羽毛状结构，可以测量小区域内流场的大小和方向。

所述触须杆的顶部设置有球形轻质触头，所述球形轻质触头的球心位于所述触须杆的轴心线上。

进一步地，当需测量物体的位移时，配备光滑触须杆，顶部安装所述球形轻质触头，将所述球形轻质触头固定连接到被测物体上，可测量被测物体的位移。

所述触须杆31为大刚度材料制成的细长杆。

本装置是这样实现三维位移或三维力的测量的：首先通过分别调节调节螺母132的位置，给所述x轴光纤11和所述y轴光纤12施加一定的预应力，让所述x轴光纤11和所述y轴光纤12处于拉伸状态，同时保证预拉力大小相等，并使所述x轴光纤11和所述y轴光纤12与预应力施加部13固定的四个固定点构成一个平面，定义四个固定点为a、b、c、d，定义交点所述x轴光纤和所述y轴光纤12的交点为o点，所述o点暂时处于平面abcd上。然后通过旋转所述调高螺丝42，将o点顶起，使其离开平面abcd，线段oa、ob、oc、od与平面abcd夹角由0变为锐角，定义线段oa、ob、oc、od与平面abcd夹角为θ，相当于同时给fbg4光纤光栅111、fbg2光纤光栅112、fbg1光纤光栅121和fbg3光纤光栅122再次施加拉伸预应力，等效于给触须杆31施加了竖直方向的预应力。至此，杆在x轴光纤11、y轴光纤12、竖直三个方向上都施加了预应力。

当触须杆31末端受到外界的激励后，将会使得fbg4光纤光栅111、fbg2光纤光栅112、fbg1光纤光栅121和fbg3光纤光栅122产生一定的伸缩，从而感受到外界的刺激强度，标定后通过分析fbg4光纤光栅111、fbg2光纤光栅112、fbg1光纤光栅121和fbg3光纤光栅122的读数能够求出外界的激励的方向和大小，光纤为弹性元件，外界作用撤离后能够自动复位，通过标定即可找到外界作用对应的四个光栅波长漂移量，实现测量。

1、当fbg1光纤光栅121、fbg2光纤光栅112、fbg3光纤光栅122、fbg4光纤光栅111波长飘移量相同时，可以判断出杆受到来自竖直方向的扰动；

2、当相对的某一组光栅(如fbg1光纤光栅121、fbg3光纤光栅122)漂移量相等，而另外一组光栅(fbg2光纤光栅112、fbg4光纤光栅111)等大相反时，可知扰动方向沿着特定(fbg2光纤光栅112、fbg3光纤光栅122)的方向。

3、当相邻的一组光栅(如fbg1光纤光栅121、fbg2光纤光栅112)漂移量相等，而另外一组光栅(fbg3光纤光栅122、fbg4光纤光栅111)相等，可知扰动方向沿着x轴光纤11和y轴光纤12的方向。同理可得其他组合反映的位移变化。

通过不在同一平面的三光栅即可求解一个点三维空间的位移信息，由于结构上两光纤四光栅更为简单，而且多出的一个光栅可作为校准光栅，更具实用价值。所以多光栅(三根以上)应当视为同一概念。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。