趙利明,董明利,李 紅,孫廣開(kāi),祝連慶

(北京信息科技大學(xué)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(jī)器人技術(shù)已成為當(dāng)今應(yīng)用廣泛、發(fā)展最令人矚目的高新技術(shù),其發(fā)展越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。被測(cè)物體的信息識(shí)別是智能機(jī)器人的重要感知能力。機(jī)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(shí)現(xiàn)智能抓取、跟蹤等任務(wù)。不斷提高形狀檢測(cè)的精確性、對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性以及對(duì)目標(biāo)各種變化的魯棒性非常必要。通過(guò)仿生觸角系統(tǒng)可感知對(duì)象物體的材質(zhì)和形狀[1-3]；準(zhǔn)確探測(cè)、識(shí)別地形變化,使機(jī)器人具備在能見(jiàn)度低且復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行安全導(dǎo)航的能力,并能確保自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性。

機(jī)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(jué)傳感器、電容式觸覺(jué)傳感器等,但這些傳感器在應(yīng)用中存在若干問(wèn)題。激光傳感器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量,但在煙霧等惡劣環(huán)境下無(wú)法應(yīng)用?，F(xiàn)有的壓阻式、電容式[4]方法與柔性材料的相容性差,難以進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)。因此,為了適應(yīng)復(fù)雜惡劣的環(huán)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等、靈敏度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),且在惡劣環(huán)境下具有諸如敏感和抗干擾能力強(qiáng)等特性,光纖式觸覺(jué)傳感器在機(jī)器人上具有應(yīng)用前景,但光纖光柵在仿生柔性觸角上的研究較少。吳仲臺(tái)[5]等人設(shè)計(jì)了一種光纖光柵形狀傳感器,并對(duì)傳感器的封裝工藝進(jìn)行了精度分析。Zhao[6]等人設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵的生物晶須陣列,通過(guò)對(duì)晶須撓度的測(cè)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(yīng)用拓寬了基礎(chǔ),但在形狀感知過(guò)程中傳感器彎曲形態(tài)的獲知方面還欠缺研究。

為了解決這些問(wèn)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(zhǎng)漂移量與仿生柔性觸角因接觸物體彎曲而產(chǎn)生的曲率之間的關(guān)系,驗(yàn)證仿生柔性觸角在形狀感知方面的可行性,為復(fù)雜物體的形狀感知提供基礎(chǔ)。

2 柔性仿生觸角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于柔性可恢復(fù)的設(shè)計(jì)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(cè)布設(shè)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(gè)柵區(qū),光纖光柵使用DP420高性能粘合劑進(jìn)行固定。待觸覺(jué)傳感器封裝完畢后,在其外部添加熱縮管以達(dá)到保護(hù)傳感器的目的。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)是三個(gè)不同方向上的FBG測(cè)量點(diǎn)相互之間為補(bǔ)償匹配關(guān)系,可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償和拉伸應(yīng)力的補(bǔ)償，如圖1所示。

當(dāng)觸覺(jué)傳感器和物體接觸或者受到橫向壓力,記憶合金絲會(huì)產(chǎn)生微小的軸向應(yīng)變,與此同時(shí),粘合在其內(nèi)側(cè)面的FBG隨之產(chǎn)生相同的應(yīng)變,使得FBG的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。得知中心波長(zhǎng)的漂移量便可進(jìn)一步獲知FBG的曲率變化情況。

圖1 柔性仿生觸角基礎(chǔ)設(shè)計(jì)Fig.1 Basic design of flexible bionic antenna

3 重構(gòu)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(yīng)變量ε的表達(dá)式為：

(1)

當(dāng)柔桿發(fā)生彎曲時(shí),FBG的彎曲程度產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)?導(dǎo)致其反射譜中心波長(zhǎng)λB發(fā)生漂移量ΔλB,由公式(1)得出此漂移量ΔλB與應(yīng)變?chǔ)懦烧?。設(shè)柵區(qū)長(zhǎng)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(dá)式為：

(3)

因此推出曲率半徑ρ的倒數(shù)曲率k表示為：

(4)

多元光纖柔性觸覺(jué)傳感器網(wǎng)絡(luò)布局測(cè)量空間曲率原理如圖2所示。設(shè)檢測(cè)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(biāo)系,規(guī)定a方向?yàn)閥軸正方向。

圖2 空間曲率測(cè)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(dāng)觸角接觸到物體時(shí),FBG中心波長(zhǎng)的漂移量可以明確獲知,接下來(lái)將研究分析如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲知的中心波長(zhǎng)漂移量Δλ獲取接觸點(diǎn)的坐標(biāo),進(jìn)而獲取被測(cè)物體的空間信息,達(dá)到觸角對(duì)被測(cè)物體信息探知的目的。

(7)

3.2 三維重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

基于多元光纖光柵的柔性仿生觸角三維重構(gòu)是基于MATLAB與LabVIEW的聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)的,可達(dá)到柔性觸角于PC端的實(shí)時(shí)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(tài)可直觀地在顯示器上獲知,且由于觸角彎曲而導(dǎo)致的中心波長(zhǎng)漂移量同樣可明確得到。

圖3 柔性觸角點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模型Fig.3 Flexible antenna point coordinate calculation model

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由于笛卡爾機(jī)器人可以進(jìn)行廣泛而精確的運(yùn)動(dòng),因而被用作本實(shí)驗(yàn)的三維位移平臺(tái)。觸覺(jué)傳感器因接觸物體而產(chǎn)生的彎曲上傳到PC機(jī)上,并可實(shí)時(shí)處理,進(jìn)一步確認(rèn)機(jī)器人的后續(xù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人(雅馬哈YK600XG)的運(yùn)動(dòng)范圍為300 mm×300 mm×200 mm,且X-Y方向的最高移動(dòng)速度為840 mm/s,Z方向的最大移動(dòng)速度為230 mm/s,機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.01 mm,它可以承受的最大載荷為10 kg。觸覺(jué)傳感器固定于機(jī)器人的機(jī)械臂末端,大角度的彎折可能導(dǎo)致傳感器的損壞,所以要求我們盡可能仔細(xì)地控制接觸。在觸角的移動(dòng)過(guò)程中存在如觸角振蕩等情況,會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。從PC端通過(guò)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(dòng)馬達(dá),實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的移動(dòng)。機(jī)器人的編程語(yǔ)言是類似BASIC語(yǔ)言的簡(jiǎn)單編程語(yǔ)言,可簡(jiǎn)易地記述復(fù)雜的機(jī)器人動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)搭建基于通過(guò)PC端控制機(jī)器人機(jī)械臂的位置準(zhǔn)確移動(dòng),在機(jī)械臂末端固定多元柔性觸角傳感器且與解調(diào)儀相連,觸覺(jué)傳感器形變而導(dǎo)致的中心波長(zhǎng)漂移量可在另一PC端直觀獲知,并可實(shí)時(shí)得知觸角的彎曲程度。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)搭建如圖4所示。

圖4 光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Optical fiber sensing experiment system

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 曲率標(biāo)定

觸覺(jué)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(zhǎng)漂移量ΔλB成正比,因此要對(duì)觸覺(jué)傳感器的曲率系數(shù)K值進(jìn)行標(biāo)定。曲率標(biāo)定板選用鋁合金為基材,鋁板上銑了不同曲率半徑的標(biāo)準(zhǔn)圓弧型凹槽,標(biāo)定板的直徑為2.5 mm,可用于放置傳感器。標(biāo)定時(shí)將觸覺(jué)傳感器固定于標(biāo)定板不同曲率半徑的凹槽內(nèi),用于研究光纖光柵在不同曲率下的中心波長(zhǎng)變化情況。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)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(zhǎng)對(duì)于外界力、熱負(fù)荷等極為敏感。應(yīng)變影響B(tài)ragg波長(zhǎng)是由于光柵周期的伸縮以及彈光效應(yīng)引起的。當(dāng)外界的應(yīng)力等參量發(fā)生變化時(shí),Bragg波長(zhǎng)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(shí)所處的位置不同,故其受到拉伸或者壓縮的作用也不同,實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)應(yīng)向波長(zhǎng)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(zhǎng),則其的中心波長(zhǎng)應(yīng)向波長(zhǎng)增大的方向漂移。本實(shí)驗(yàn)中各光纖光柵的中心波長(zhǎng)的漂移情況如圖5所示。

三根不同光纖的中心波長(zhǎng)漂移量與曲率之間的線性關(guān)系如圖6所示。擬合曲線的斜率即為觸覺(jué)傳感器的曲率系數(shù)K值,其中光纖a的曲率系數(shù)Ka為0.96839,光纖b 的曲率系數(shù)Kb為0.61785,光纖c的曲率系數(shù)Kc為0.51567。進(jìn)行信息識(shí)別的實(shí)驗(yàn)時(shí),仿生柔性觸角接觸物體,由相應(yīng)的中心波長(zhǎng)漂移量可獲知具體的曲率變化及位置坐標(biāo)信息,隨著觸角的持續(xù)運(yùn)動(dòng)可以獲知整個(gè)物體的輪廓,達(dá)到物體形狀感知的目的。

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

圖6 波長(zhǎng)漂移量—曲率關(guān)系圖Fig.6 Wavelength drift-curvature diagram 表1 不同彎曲程度下的曲率匹配相對(duì)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(duì)誤差如表1所示。由于傳感器封裝的影響,對(duì)三根FBG進(jìn)行了一定的拉伸應(yīng)力補(bǔ)償,其中光纖a的補(bǔ)償系數(shù)為1.247,光纖b的補(bǔ)償系數(shù)為1.992,光纖c的補(bǔ)償系數(shù)為2.398。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)的曲率,為被測(cè)物體的信息識(shí)別提供了可靠的保障。

5.2 輪廓識(shí)別

柔性仿生觸角在接觸物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定撓度的彎曲,通過(guò)中心波長(zhǎng)漂移量可以獲取相應(yīng)接觸點(diǎn)的位置坐標(biāo)。選取圓柱作為被測(cè)物體,柔性仿生觸角繞著圓柱穩(wěn)定地走過(guò)一段圓弧,將所獲得的被測(cè)物體的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行擬合,并將擬合所得的物體輪廓圖與實(shí)物理論圖進(jìn)行對(duì)比。

使用MATLAB對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖7所示。擬合曲線的參數(shù)如表2所示。從表2中可以看出,擬合曲線和實(shí)際曲線之間的參數(shù)偏差很小,從而證明柔性仿生觸角實(shí)現(xiàn)形狀感知是可行的,為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜形狀物體的感知提供了基礎(chǔ)。

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

圓心坐標(biāo)/mm半徑/mm理論值(0，0)25．00實(shí)驗(yàn)值(-1．22，-0．43)25．38誤差偏移量≤1．221．52%

圖8 被測(cè)物體Fig.8 Test object

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種可應(yīng)用于智能機(jī)器人上的柔性仿生觸角,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有顯示觸角彎曲程度且可進(jìn)行物體形狀感知的功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,獲得了光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量與曲率之間的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)誤差在0.00001～0.004784之間,滿足進(jìn)行物體信息識(shí)別的要求,且通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲知的觸覺(jué)傳感器的曲率系數(shù)K值可以很好獲取物體的坐標(biāo)信息等。實(shí)驗(yàn)研究表明,該仿生柔性觸角能夠?qū)崿F(xiàn)形狀感知。本文所提出的測(cè)量方法,即通過(guò)對(duì)中心波長(zhǎng)漂移量的獲知便可進(jìn)而得知所接觸物體的位置信息,大大簡(jiǎn)化了傳感器的機(jī)構(gòu),同時(shí)也提高了物體信息識(shí)別的準(zhǔn)確程度。該方法在智能機(jī)器人形狀感知方面具有應(yīng)用前景。

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