面向机器人手指的方孔结构柔性FBG触觉传感器制作方法

面向机器人手指的方孔结构柔性fbg触觉传感器制作方法
技术领域
1.本发明涉及传感器制作技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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0-10n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。


技术实现要素：

5.本发明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，本发明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。
6.本发明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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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。
12.作为本发明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：
13.步骤1：清洁模具；
14.步骤2：制备pdms混合液；
15.步骤3：封装光纤光栅；
16.步骤4：烘烤成型；
17.步骤5：脱模；
18.步骤6：清洗模具。
19.作为本发明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。
20.作为本发明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：
21.(2-1)将pdms胶水和固化剂按照10:1的比例倒在玻璃容器中；
22.(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；
23.(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。
24.作为本发明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：
25.(3-1)将带有光栅的光纤布设在下模的凹槽内；
26.(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；
27.(3-3)将上下模用螺栓拧紧，保证光栅在腔体内不变形；
28.(3-4)接下来将pdms混合液从侧边缓慢倒入，直至液体漫出；
29.(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；
30.(3-6)最后用c字夹从上下模外侧紧固，保证活动块不滑动。
31.作为本发明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。
32.作为本发明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5中脱模的具体步骤如下：
33.(5-1)等待干燥箱中的模具放凉后，拧掉模具上的螺钉与螺母，用钳子从侧边卸掉活动块；
34.(5-2)在打开上模与下模的过程中，不断喷洒酒精，防止弹性体与上下模粘接。
35.作为本发明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6清洁模具是用酒精喷雾及丝绵清洗模具。
36.作为本发明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，制作出的光纤光栅触觉传感器后，用粘贴的方式布置于机器人手指表面，粘合剂选用结构丙烯酸和环氧树脂，待粘贴的试件为pdms制作的样品，聚合物塑料选择的是pvc塑料。
37.作为本发明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，所述解调设备为中视物联生产的fsm04软组织检测系统，该光谱分析仪有四个通道，分辨率为0.1pm，量程范围为1510-1590nm，并且内部集成了光源和耦合器，光纤光栅的一端用接头与检测设备相连接，计算机接线端与检测设备相连接，通过计算机上配套的软件，得到实时的光谱图，对触觉传感器加载过程中，压力机自带的软件得到加载力实时大小，计算机也通过解调仪测得波长的变化；
38.布拉格光栅的中心波长λb与光栅周期，折射率关系表示如下：
39.λb＝2n
eff
λ
40.其中，λb为bragg光栅的反射波长，λ为光纤纤芯有效折射率，n
eff
为光栅栅距；
41.光纤光栅触觉传感机理如下：
42.将光纤光栅埋入弹性体中间位置，当弹性体受到外部载荷时，弹性体会发生形变，光纤光栅嵌在弹性体内，随着弹性体而发生变形，光纤光栅会因此产生应变从而使光栅bragg中心波长发生偏移，中心波长的偏移量由解调装置解调而成，根据波长的偏移量得到应力与应变的关系，由于光栅在内部受到的应变与弹性体受到的应力成正比，光纤bragg光栅的中心波长偏移量与应力大小呈正比关系。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
44.1、本发明提供的面向机器人手指的方孔结构柔性fbg触觉传感器，首先利用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可以设计出适合各种机器人手指尺寸的柔性fbg触觉传感器；通过仿真得出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合适的基体结构尺寸；提出了一种可以获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，接着将光纤光栅埋入pdms弹性基体内制成传感器模型，成了该触觉传感器的制作；最后利用光纤传感技术搭建了fbg压触觉传感系统平台，通过传感系统平台完成对fbg传感器的实验。
45.2、本发明设计的触觉传感器具有良好的重复性抗和蠕变特性，灵敏度为8.85pm/n，分辨力达到0.2n；基于机器人手指的加载灵敏度为27.3pm/n，拟合优度为0.996，感知过程中受到干扰均值为7.63％，低于实心结构传感器，该传感器能够有效减少侧向力干扰，并解决应变非均匀的问题，同时与手指的贴合度高，对机器人压触觉智能感知研究有一定的应用价值。
46.3、本发明利用新设计的带孔传感元件解决应变非均匀性问题是可行的；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。
附图说明
47.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
48.图1为本发明中不同深度的光纤轴向应变图。
49.图2为本发明中光纤光栅触觉传感器模具图。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.实施例
52.参见图1至图2，本发明实施例以指腹平面大小为7mm
×
9mm的机械手指为例，针对该指节的压触行为进行了仿真分析。
53.使用ansys workbench模拟了该手指末端关节按压人体手臂的情况。当该指节正面按压人体手臂时，手臂肌肉在手指的压力下产生了形变，在手指上施加2n的压力时，手臂肌肉的形变达到了7.12mm。按压时指节内侧的平面为主要接触平面，在手指按压手臂达到最大变形时，接触平面只有略微的改变，所以根据指节内侧的平面设计传感器的面积为7mm
×
9mm。
54.接着进一步设计合理的方孔截面尺寸。在带孔传感元件上表面施加2n均布载荷，对比了不同方孔长度下的轴向应变曲线，由仿真分析可以得出以下结论：在对长度4mm、5mm和6mm的方孔结构进行仿真分析之后，均得到了光栅路径上的轴向应变曲线；方孔长度越长，光栅路径上的均匀轴向应变段越长；方孔长度为6mm时，应变均匀段达到了2.5mm；方孔长度越长，光栅路径上所测得的平均应变值也越大。因此，选择方孔长度为6mm，同时考虑到结构受载荷的稳定性，最终方孔截面尺寸设计为6mm
×
1.5mm。
55.带孔传感元件仿真分析。利用带孔传感元件模型，其外形尺寸与实心传感元件相同，在模型下方设计了一个方孔结构，方孔上表面深度为2.5mm，fbg埋在方孔上方。在带孔传感元件上表面垂直方向施加2n的均布载荷，由仿真分析结果可知，5mm厚度的pdms基体的fbg最佳埋入深度为距离上表面1-2mm处，因此选择0.5mm、1mm和1.5m进行不同埋入深度的
比对仿真分析，得到轴向应变曲线，由仿真分析得出以下结论：当fbg埋入深度为0.5mm和1.5mm时，光栅路径上为非均匀应变；当埋入深度为1mm时，光栅中心处有长度为2mm左右的光栅段会均匀出现应变最大值。
56.模具的材料选择为铜，方便加工和脱模，整体采用三合模结构。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。上模保留了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，而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，便能得到设计的两种不同的弹性体结构。这种形式的模具不仅方便浇筑与脱模，还可以反复使用。
57.光纤光栅触觉传感器制作，包含以下步骤：
58.步骤1：清洁模具。
59.步骤2：制备pdms混合液。
60.步骤3：封装光纤光栅。
61.步骤4：烘烤成型。
62.步骤5：脱模。
63.步骤6：清洗模具。
64.步骤1清洁模具的具体内容为：用酒精喷雾及丝绵清洗模具，保证腔体内无异物和大颗粒灰尘。
65.步骤2制备pdms混合液的具体步骤如下：
66.(2-1)将pdms胶水和固化剂按照10:1的比例倒在玻璃容器中；
67.(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；
68.(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。
69.步骤3封装光纤光栅的具体步骤如下：
70.(3-1)将带有光栅的光纤布设在下模的凹槽内；
71.(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；
72.(3-3)将上下模用螺栓拧紧，保证光栅在腔体内不变形；
73.(3-4)接下来将pdms混合液从侧边缓慢倒入，直至液体漫出；
74.(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；
75.(3-6)最后用c字夹从上下模外侧紧固，保证活动块不滑动。
76.步骤4：烘烤成型的具体内容为：
77.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。
78.步骤5：脱模的具体步骤如下：
79.(5-1)等待干燥箱中的模具放凉后，拧掉模具上的螺钉与螺母，用钳子从侧边卸掉活动块；
80.(5-2)在打开上模与下模的过程中，不断喷洒酒精，防止弹性体与上下模粘接。
81.步骤6清洁模具的具体内容为：用酒精喷雾及丝绵清洗模具。
82.制作出光纤光栅触觉传感器后，用粘贴的方式布置于机器人手指表面，粘合剂选
用了结构丙烯酸和环氧树脂，待粘贴的试件为pdms制作的样品，聚合物塑料选择的是pvc塑料。
83.解调设备是中视物联生产的fsm04软组织检测系统，该光谱分析仪有四个通道，分辨率达到了0.1pm，量程范围为1510-1590nm，并且内部集成了光源和耦合器。光纤光栅的一端用接头与检测设备相连，计算机也与检测设备相连，通过计算机上配套的软件，可以得到实时的光谱图，对触觉传感器加载过程中，压力机自带的软件可以得到加载力实时大小，而计算机也可以通过解调仪同时测得波长的变化。
84.布拉格光栅的中心波长λb与光栅周期，折射率关系表示如下：
85.λb＝2n
eff
λ
86.其中，λb为bragg光栅的反射波长，λ为光纤纤芯有效折射率，n
eff
为光栅栅距；
87.光纤光栅触觉传感机理如下：
88.将光纤光栅埋入弹性体中间位置，当弹性体受到外部载荷时，弹性体会发生形变，光纤光栅嵌在弹性体内，也会随着弹性体而发生变形，光纤光栅也会因此产生应变从而使光栅bragg中心波长发生偏移，中心波长的偏移量由解调装置解调而成，可以根据波长的偏移量得到应力与应变的关系，由于光栅在内部受到的应变与弹性体受到的应力成正比，所以光纤bragg光栅的中心波长偏移量与应力大小也呈正比关系，面向机器人手指的方孔结构fbg触觉传感器制作方法。
89.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。