王飛文， 馮 艷， 張 華， 張 震

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330031)

0 引 言

觸覺感知是生物體的基本功能，同樣也是機(jī)器手與外部環(huán)境直接作用的重要手段之一，能夠使得機(jī)器手感知接觸目標(biāo)的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、尺寸、位置、表面形狀等信息[1]，可以幫助機(jī)器人準(zhǔn)確檢測、識(shí)別目標(biāo)物，從而完成多種復(fù)雜的任務(wù)。隨著智能機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展，所需觸覺傳感器[2～4]的數(shù)量逐漸增多，由此帶來的測量電路穩(wěn)定性、信號(hào)噪聲、電磁干擾等問題不可忽視。另一方面，觸覺傳感器的封裝以及其與機(jī)器手的集成工藝方法同樣也是關(guān)鍵技術(shù)之一。相比于其他傳感器，光纖光柵傳感器是近20年來新興的傳感器件，集傳感與傳輸于一體，具有體積小、抗電磁干擾、波長編碼等特點(diǎn)，尤其是通過檢測反射光譜峰值或傳輸光譜凹陷中心位置，就可檢測到應(yīng)力、溫度、加速度等參數(shù)從而測出外界擾動(dòng)，很適合應(yīng)用于觸覺傳感系統(tǒng)中，在多觸覺的傳感測試領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

國內(nèi)外對(duì)于光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating,FBG)的觸覺傳感、信息處理和加工工藝等方面開展了相應(yīng)的研究，本文以FBG傳感原理為基礎(chǔ)，闡述了國內(nèi)外FBG觸覺傳感器的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來的研究和發(fā)展進(jìn)行展望。

1 FBG傳感原理

1.1 FBG溫度和應(yīng)力傳感特性

FBG[5,6]是光無源器件，其光纖柵格間隙沿著軸向周期變化。如圖1所示，由光纖耦合模式理論可知，當(dāng)一束寬帶光源射入FBG時(shí)，因?yàn)檎凵渎实牟煌瑫?huì)產(chǎn)生反射和透射的現(xiàn)象。其中滿足Bragg反射條件的入射光會(huì)反射，同時(shí)透射光的傳輸譜會(huì)有一個(gè)凹峰。Bragg反射條件[7,8]為

λB=2neΛ

(1)

式中λB為FBG的反射波長，ne為光纖纖芯有效折射率，Λ為光柵的柵距或者光柵周期。由公式可知，如果使得光纖纖芯有效折射率和光柵的柵距發(fā)生改變，F(xiàn)BG的中心反射波長也會(huì)發(fā)生改變。

圖1 FBG傳感器原理與光譜

觸覺傳感器幾個(gè)重要的測量量(溫度、應(yīng)力和應(yīng)變)是引起FBG中心波長變化的主要原因，因此,可以通過中心波長的變化來感知外部環(huán)境的變化。通過特殊的機(jī)械裝置，滑覺、加速度等的信號(hào)也可以測量。

溫度的變化主要通過光纖的熱膨脹效應(yīng)影響光柵周期和通過熱光效應(yīng)影響光柵的折射率，當(dāng)溫度變化時(shí)，對(duì)式(1)兩邊求導(dǎo)

(2)

當(dāng)FBG受到應(yīng)力的作用時(shí)，可能產(chǎn)生軸向應(yīng)力和橫向應(yīng)力，光纖光柵對(duì)于橫向應(yīng)力不敏感，一般只考慮軸向應(yīng)力對(duì)光柵的影響。軸向應(yīng)力對(duì)于光柵的影響是來自于拉伸引起的光柵常數(shù)變化以及彈光效應(yīng)使光柵的折射率發(fā)生變化。兩種作用下對(duì)中心波長的影響可以表示為

dλB/λB=(1-Pe)εx

(3)

當(dāng)光纖光柵受到溫度和力的同時(shí)作用，光柵中心波長的漂移為dλB/λB=(1-Pe)εx+(α+ε)dT。

1.2 FBG交叉敏感特性

由上述可知FBG傳感器對(duì)于應(yīng)變和溫度交叉敏感，為了精確獲得觸覺傳感的信息，區(qū)分兩者的作用尤為重要。同時(shí)裸光纖的敏感度不高，需要進(jìn)行增敏處理，需要考慮增敏器件的彈性遲滯對(duì)數(shù)據(jù)測量帶來的非重復(fù)性的影響。另外，光纖微彎將產(chǎn)生光損失效應(yīng)，即波峰的高度降低；當(dāng)不均勻的力作用在光柵上時(shí)，光柵的柵距會(huì)變得不均勻，會(huì)產(chǎn)生不同的波峰，也稱啁啾效應(yīng)[9]。

2 FBG觸覺傳感器的研究現(xiàn)狀

FBG傳感器的基本測量物理量是溫度和壓力?；诖搜芯空遊10，11]設(shè)計(jì)了一系列的溫度和壓力傳感器，通過一些特殊的結(jié)構(gòu)布置，可以獲得位移、溫覺、力覺、滑覺等一系列的物理信息。

2.1 FBG力觸覺傳感器

檢測力或者力矩的信息對(duì)于機(jī)器人的精確操作極其重要，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其具有的優(yōu)勢(shì)使其在力觸覺傳感上得到迅速發(fā)展，且各國在力覺傳感器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多維力覺傳感器和陣列式觸覺傳感器的研究。

2001年，比利時(shí)學(xué)者Fernandez A等人[12]利用光纖光柵多路復(fù)用的特點(diǎn)，如圖2所示，將一根光纖上的8只不同波長的FBG布置在輪輻十字梁結(jié)構(gòu)的橫梁上下表面，上下2個(gè)表面的FBG傳感器的中心波長的變化差作為測量量，以此解決溫度和遲滯性的影響，實(shí)現(xiàn)了多維力的測量。

圖2 A.Fernandez傳感器結(jié)構(gòu)體

2006年，韓國Heo Jin-Seok等人[13]提出了一種類似于人體皮膚的力覺傳感器陣列，設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)(隔膜式和橋式結(jié)構(gòu))以解決光纖的微彎和啁啾效應(yīng)，另設(shè)計(jì)1只不受力的FBG傳感器用于溫度補(bǔ)償。文中將多個(gè)力覺傳感器排布成陣列狀，用于模仿人體皮膚。如圖3，陣列后的兩種結(jié)構(gòu)傳感器因?yàn)槠淇臻g分辨率的不同，隔膜式傳感器的空間分辨率為25 mm、力的最小敏感度達(dá)到了0.005 N，與人體表皮皮膚相似；橋式傳感器的空間分辨率為5 mm、力的最小敏感度達(dá)到了0.001 N，與手指皮膚相似。對(duì)模型進(jìn)行了壓力測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出良好的力學(xué)效果。傳感器陣列應(yīng)用于外科手術(shù)套上，可獲取手術(shù)的接觸力覺信號(hào)。

圖3 類皮膚觸覺傳感器

2008年，斯坦福大學(xué)Park Y L[14]設(shè)計(jì)了一種嵌入式FBG傳感器的力感知手指，如圖4，該手指結(jié)構(gòu)可以感知二維方向的作用力，設(shè)計(jì)手指殼體為六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物結(jié)構(gòu)，并在其中植入銅網(wǎng)以減少聚合物的蠕變性，4只傳感器在手指關(guān)節(jié)處沿著周向均勻分布，另外還有1只傳感器置于手指關(guān)節(jié)的中間銅管內(nèi)，不受力的作用，用于溫度補(bǔ)償。因?yàn)榫酆衔锞哂腥渥冃院蜏笮?，該研究介紹了一種處理滯后性的方法，當(dāng)力小于一定值時(shí)認(rèn)為接觸已經(jīng)結(jié)束了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)的傳感器可以分辨0.1 N的力，且不僅可以測量力的大小，也可獲得力作用位置、深度信息。

圖4 觸覺手指結(jié)構(gòu)

2009年，西班牙Ismael Payo等人[15]提出了一種基于FBG傳感器測量高柔性梁擾度的方法。研究者將FBG傳感器附著在橫梁表面的特定位置，以測量局部應(yīng)變。傳感器的數(shù)量和最優(yōu)的分布位置是通過切比雪夫準(zhǔn)則確定，如圖5。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了估計(jì)方法和傳感器系統(tǒng)的有效性,并應(yīng)用FBG觸覺傳感器測量了單連桿機(jī)器人指尖的位置和旋轉(zhuǎn)角度。同年，德國Muller M S等人[16]設(shè)計(jì)了一種基于FBG的六自由度的力矩傳感器。如圖6，將同一根光纖上的6只FBG傳感器拉緊后，分3組呈120°交叉纏繞布置在Stewart平臺(tái)的凹槽中。由于預(yù)緊力的作用，該傳感器可以測量正負(fù)應(yīng)變。每個(gè)傳感器的長度為3 mm，避免因?yàn)閺澢霈F(xiàn)雙折射的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)得出最大力的分辨率為100 mN。

圖5 傳感器的位置和分布

圖6 傳感器的三維結(jié)構(gòu)

2012年，比利時(shí)Yan C X等人[17]研究了不受溫度影響的應(yīng)力觸覺傳感器,如圖7所示。將FBG內(nèi)接在具有高雙折射的微結(jié)構(gòu)光纖中，由于微結(jié)構(gòu)光纖的正交極化作用，可以反射出2個(gè)分離的Bragg峰信號(hào)，作為傳感信號(hào)可以得到2種模態(tài)：共模態(tài)和差分模態(tài)。共模態(tài)下可以在恒定的溫度下測量壓力，靈敏度達(dá)到了2.6 pm/(km·Pa)。差分模態(tài)下可以在變溫下測量壓力，但靈敏度較差，研究者在其中嵌入鋼板以提高靈敏度，最終獲得了較好的靈敏度。

圖7 不受溫度影響的應(yīng)力觸覺傳感器

2014年，韓國國家技術(shù)科學(xué)院Hyowon Moon等人[18]將FBG傳感器與柔性硅橡膠材料結(jié)合，利用FBG對(duì)軸向應(yīng)變敏感，研制了超細(xì)柔性位置形態(tài)傳感器，如圖8。3條光纖排成三角狀，每條光纖上都含有4種不同波長的光纖光柵。測量時(shí)各節(jié)點(diǎn)上的溫度相同，研究者可以得到該節(jié)點(diǎn)的彎曲方向θ和曲率k。再通過對(duì)各節(jié)點(diǎn)的3次樣條插值處理，可以得到形態(tài)傳感器的外形狀態(tài)。

圖8 形態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)

2015年，山東大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[19]研究FBG傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，根據(jù)被檢測信號(hào)頻率的不同分別進(jìn)行了高頻檢測和低頻檢測。檢測的結(jié)果采用了雙FBG匹配解調(diào)法解調(diào)，該方法不僅測量效果好而且可以補(bǔ)償溫度。高頻檢測是對(duì)超聲進(jìn)行檢測，一般應(yīng)用在探傷等領(lǐng)域，研究者主要探究了傳感器光柵長度、FBG布置位置、反射率等對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)。低頻檢測主要對(duì)碰撞沖擊信號(hào)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明FBG傳感體具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果和靈敏度，將其應(yīng)用于人工皮膚的觸覺傳感器上，設(shè)計(jì)了一種3×3的陣列FBG觸覺傳感器。

2016年，中國武漢科技大學(xué)的郭永興等人[20]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FBG原理的三維力指尖傳感器，該傳感器能感受沿著手指的軸向力和手指的周向力。如圖9，可以知道該傳感器分為內(nèi)、外測量體，在外測量體的4根橫梁上分別布置4只FBG傳感器，用來測量手指的周向應(yīng)力；內(nèi)測量體布置2只FBG傳感器，其中1只預(yù)緊后用于測量軸向力，另1只處于自由狀態(tài)，用于溫度補(bǔ)償，這6只中心波長不同的FBG傳感器均在同一根光纖上。實(shí)驗(yàn)表明該傳感器可測量周向力的最小精度是0.060 N，軸向力的最小精度是0.045 N。

圖9 三維力指尖傳感器

2.2 FBG滑覺傳感器

目前,基于FBG原理的滑覺傳感器報(bào)道相對(duì)較少，越來越多的人開始了對(duì)于FBG滑覺傳感器的研究。表現(xiàn)為：通過檢測位置的變化來檢測物體是否滑動(dòng)；通過滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)來檢測物體是否滑動(dòng)；通過摩擦系數(shù)的變化來檢測物體是否滑動(dòng)。第一種方法要建立合適的觸覺陣列才能完成檢測；第二種方法一般會(huì)使用類似橡膠皮膚的物品貼在表面以增強(qiáng)信號(hào)，信號(hào)的處理采用時(shí)域分析或者音頻分析；相比較于前兩種方法，第三種可以在將要滑動(dòng)時(shí)檢測出滑動(dòng)的趨勢(shì)。

第一種方法的本質(zhì)是將摩擦力轉(zhuǎn)變成位移量以方便FBG傳感器檢測，一般而言，需要設(shè)計(jì)一種特殊的機(jī)械裝置完成兩個(gè)量的轉(zhuǎn)化。如浙江理工大學(xué)的研究人員[21]提出了一種利用光纖微彎會(huì)有光損失的原理，將滑動(dòng)產(chǎn)生的位移通過特殊機(jī)械裝置轉(zhuǎn)變成光纖的彎曲。同理，一些研究者已經(jīng)設(shè)計(jì)出基于FBG原理的位移傳感器[22]，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)就可完成對(duì)滑動(dòng)的檢測。因?yàn)樵摲椒ㄐ枰瑒?dòng)后才能檢測出來，在一些特定的條件下具有一定的劣勢(shì)。

第二種方法是檢測滑動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是否包含高頻分量來檢測滑動(dòng)。目前對(duì)振動(dòng)信號(hào)檢測比較合適的材料為膜壓電材料和快速響應(yīng)壓阻材料。2010年，Schoepfer M[23]提出可以利用加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)滑覺傳感振動(dòng)信號(hào)的采集，目前，基于FBG原理的加速度傳感器已經(jīng)有了一定的研究。

考慮到前兩種方法都要具有一定的滑動(dòng)才能檢測到滑動(dòng)的，第三種可以在滑動(dòng)之初就可以檢測出物體的滑動(dòng)。其主要原理是通過摩擦力和法向力的比值計(jì)算出摩擦系數(shù)，由庫倫摩擦模型可以知道動(dòng)摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)，因此，根據(jù)摩擦系數(shù)的變化情況就能判斷物體是否滑動(dòng)。Engeberg E D[24]利用一種拇指指尖的三維觸覺傳感器獲取摩擦力和法向力來檢測滑動(dòng)，并設(shè)計(jì)了防止滑動(dòng)的滑?？刂扑惴?。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張庭等人[25]設(shè)計(jì)了一種三維觸覺傳感器手指，采用累積疊加估計(jì)法以判斷是否摩擦力產(chǎn)生了突變，通過選擇合適的采樣長度和閾值可得到最佳的檢測效果。

基于此理論，合肥工業(yè)大學(xué)的錢沐云等人[26]已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種基于FBG原理的傳感器來檢測滑動(dòng)，如圖10。2只FBG傳感器平行放置，另外1只FBG傳感器與前2只呈一定角度，該傳感器可用于檢測二維的力，將若干只傳感單元排成1個(gè)陣列，這不僅可以檢測滑動(dòng)的趨勢(shì)，還可以檢測滑動(dòng)的速度?；X實(shí)驗(yàn)表明：該結(jié)構(gòu)可以判斷物體是否滑移、滑移的方向以及滑移速度。上文所述的多維力傳感器也可以改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)滑移檢測。

圖10 滑覺傳感器

3 結(jié)束語

綜上所述，光纖光柵由于其自身的優(yōu)勢(shì)逐漸被研究者關(guān)注，研究思路多集中于對(duì)于光纖光柵傳感器的布置、傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建以及性能的測試等方面，未來光纖光柵傳感器用于智能機(jī)器人觸覺傳感領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋?/p>

1)FBG觸覺傳感器的重要研究方向之一是力觸覺的感知，通過對(duì)力傳感單元的重構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)FBG滑覺傳感。

2)由于光纖信號(hào)需要解調(diào)，不能像傳統(tǒng)的傳感器一樣易于和傳統(tǒng)的電信號(hào)融合，如何將光纖信號(hào)和電信號(hào)有機(jī)地融合是一個(gè)研究的重點(diǎn)。

3)FBG傳感器易于分布式傳感，對(duì)于仿人肌膚觸覺傳感，構(gòu)建基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的FBG觸覺傳感系統(tǒng)將是進(jìn)一步研究重點(diǎn)之一。