王 高，張梅菊，黃漫國，梁曉波，劉智超

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051; 2.中國航空工業(yè)集團公司 北京長城航空測控技術研究所 狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 100022; 3.長春理工大學 光電工程學院 光電測控技術研究所， 長春 130000)

引 言

生產(chǎn)線上有很多自動抓取、裝配設備，隨著國家工業(yè)化發(fā)展的深化，未來很多人工裝配過程也將會被機械取代[1]，而通過機械結構對物體抓取、裝配就會涉及抓握力、夾持力等的大小問題[2]，研究具有負載受力狀態(tài)感知的傳感系統(tǒng)，對于提高抓取、裝配過程穩(wěn)定性具有重要意義。

在生產(chǎn)線中，傳統(tǒng)的自動抓取、裝配機械結構一般分為兩大類。一是通過路徑規(guī)劃完成對機械臂的控制，這種方法由機械臂運動路徑編程實現(xiàn)，通?？捎糜谧ト　⒀b配、點焊等工藝流程中，比較簡單易行，但缺點是要求操作位置穩(wěn)定、被操作物體相對簡單、結構復雜或步驟復雜都會使累計誤差大幅增加，從而導致報廢率增大。QI等人研究的優(yōu)化A*路徑規(guī)劃算法，提高了機械臂路徑的穩(wěn)定性，降低了機械磨損[3]。YOU等人研究的雙向快速擴散隨機樹算法可以實現(xiàn)9個自由度的控制，大大提升了基于路徑控制的復雜程度[4]。二是采用應變片對夾持位置應力監(jiān)測，該方法的優(yōu)點是應變片價格便宜、處理電路簡單，但缺點是標量測量，無法提供應力的指向性信息，同時易受電磁干擾對工況環(huán)境要求高[5-6]。LU等人[7]利用應變片采集機械結構應力分布，從而控制動態(tài)扭矩的測量，其可應用于抓握力、夾持力等力度大小的控制。SUMAYYAH等人[8]通過壓電陣列實現(xiàn)了4.0cm×4.0cm范圍的應力傳感，但由于電路復雜、價格高昂，很難廣泛使用。

基于光纖傳感[9]的反饋型控制系統(tǒng)是新型應力感知系統(tǒng)，由于其體積小、無電磁干擾等[10-12]優(yōu)勢，在應力定向識別方面具有很好的應用前景。作者采用光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating,FBG)[13-18]傳感器陣列設計了一種負載感知模塊，并針對其靈敏度、穩(wěn)定性進行了測試分析。

1 負載感知系統(tǒng)

負載感知系統(tǒng)由電腦、解調模塊、光纖及FBG陣列組成。解調模塊具有8路光纖接口，實驗中采用兩路，分別連接夾持結構中的兩根傳感光纖，再通過數(shù)據(jù)線將解調后的數(shù)據(jù)傳輸給電腦。FBG陣列擺布形式為4橫和4縱，分別對應圖1中的y軸和z軸，獲取夾持過程中在y軸和z軸方向上的應力值。利用解調模塊將回波波長信息解算成應力信息，從而反饋給電腦，通過電腦得算法分析完成對夾持狀態(tài)的分析。

Fig.1 Schematic diagram of load sensing system

2 感知陣列結構設計及解算方法

感知結構設計采用陣列排布結構形式如圖2a所

Fig.2 Design of sensing module

示，對于單個FBG而言，其受力分析如圖2b所示。

依據(jù)FBG的工作原理，溫度通過標定可理解為常數(shù)，即得到FBG僅與應力應變敏感的函數(shù)關系，則波長的改變量Δλ與應變ε的函數(shù)關系有:

Δλ=(1-p)ελ0

(1)

式中,λ0為初始波長，p為應力系數(shù)。

由圖1可知,x軸方向為厚度方向，也是施力方向，產(chǎn)生的摩擦力為z方向，設力的大小為F，感知模塊為正方形，故長度均為d，則FBG的應變量可表示為:

(2)

式中，Δd為x軸方向的延長率，E為楊氏模量，ρ表示泊松比。沿y軸的力F與Δd的正比系數(shù)為k，則代入(2)式有:

(3)

由于材料因受力的應變一般不會特別大，可近似看作α≈β，則:

Δd′=Δdcosβ

(4)

故應變可寫為:

(5)

應變傳感單元主要受力的大小和力的作用影響，而由于FBG陣列是正交排布的，所以，無論在哪個方向，產(chǎn)生最大偏轉角度都存在一組FBG對齊夾角不大于45°，這也是正交排布的原因。

3 參量優(yōu)化仿真

為了在不改變系統(tǒng)尺寸、成本的基礎上提高感知模塊靈敏度，使系統(tǒng)達到最優(yōu)狀態(tài)，利用MATLAB對不同幾個可調參量進行了分析計算。夾持材料采用5.0cm×5.0cm的橡膠塊，楊氏模量值是2.843GPa,泊松比是0.463。主要仿真參量為FBG埋入深度，即x軸中的Δx。由于埋入深度對成本及體積基本沒有影響，是一個比較理想的調節(jié)參量。其次是對FBG的有效長度l進行仿真，由于其同樣也是不影響成本與體積的，但其會對空間分辨有影響，所以在仿真分析時，給它的調節(jié)區(qū)間是要結合夾持區(qū)域范圍設定的。仿真結果如圖3所示。

Fig.3 Parameter simulation of sensor module

圖3a中，F(xiàn)BG的長度是固定的，設置數(shù)值為10.0mm，然后對不同埋入深度進行分析，從仿真結果可知，不同位置處應變響應不同，同一位置處不同深度對形變的影響也不同，從3.0mm～7.0mm逐漸加深，靈敏度先是增強，后又減小，大約在5.0mm位置時達到最優(yōu)值，從此可見，F(xiàn)BG埋入深度選取5.0mm可以獲得最優(yōu)效果。

圖3b中，將FBG放置深度設置為5.0mm，然后對不同長度進行仿真分析，由結果可知，不同位置處應變響應不同，同一位置處不同F(xiàn)BG長度對形變的影響也不同，從2.0mm～10.0mm逐漸加長，靈敏度也逐漸增加，呈單調遞增趨勢，但由于FBG尺寸過大會導致感知模塊的空間分辨率降低，故尺寸選擇原則應是符合空間分辨率時的FBG最大值為宜。從此可見，在本系統(tǒng)中，當放置深度為5.0mm時，F(xiàn)BG長度選擇10.0mm最合適。

4 實 驗

實驗系統(tǒng)由寬帶光源、光隔離器、光耦合器、光纖光柵解調模塊(光譜分辨率為±0.5pm)、電腦及光纖光柵傳感陣列組成。負載感知模塊為兩個正對的5.0cm×5.0cm的橡膠塊，夾持重量范圍0kg～10kg。實驗過程中，逐漸增加負載上的重量，在被夾物體發(fā)生移動前，測試了不同施力條件下感知系統(tǒng)的響應能力。當重量進一步增大、物體產(chǎn)生移動時，又對狀態(tài)改變條件下的回波光譜變化進行了分析。FBG埋入深度為5.0mm，夾持物大小為4.0cm×4.0cm的正方體塊。

4.1 感知精度實驗結果分析

根據(jù)圖2a的分布設計可知，雖然有8個傳感單元，但是對于中間位置而言，如果是對稱位置的話，那樣兩個對稱位置的FBG響應效果是相近的，故下面著重給出了在針對中心位置受力條件下FBG1,FBG3,FBG5和FBG7的波長變化，首先是左右不施力，而僅受重力遞增的條件(z軸方向)，實驗結果如圖4a所示。然后再在固定重力的條件下，在水平方向上施加作用力(y軸方向)，實驗結果如圖4b所示。

Fig.4 Variation of applied wavelength in different directions

由圖4a中的實驗結果可知，其中FBG1和FBG5基本沒有響應，只是有微弱波動，由其安排的位置可以發(fā)現(xiàn)，這兩個FBG的軸向位置與施力方向垂直，受力敏感度弱，相反，F(xiàn)BG3和FBG7隨著施力的增大而增大，并且基本成線性變化關系，這兩個FBG的軸向位置與施力方向平行。同時， 兩個FBG的波長變化方向是相反的，這是因為一個為拉伸效果一個為壓縮效果，通過應力與波長的函數(shù)關系計算可知，平均垂向靈敏度為31.4pm/N。其余幾個FBG與其對稱位置的FBG的測試數(shù)據(jù)基本一致，不再贅述。由圖4b中的實驗結果可知，與垂向實驗效果相反，F(xiàn)BG3和FBG7基本沒有響應，只是有微弱波動，相反，F(xiàn)BG1和FBG5隨著施力的增大而增大，并且呈線性變化關系。同時，兩個FBG的波長變化方向是相反的，同樣其也滿足一個拉伸一個壓縮的等效關系，通過應力與波長的函數(shù)關系計算可知，平均水平靈敏度為29.9pm/N。

4.2 滑動測試

實驗中通過改變夾持力使被加持物達到接近臨界夾持狀態(tài)，然后進一步增加施力大小，使被夾物體產(chǎn)生滑動，然后對這個過程的光譜回波情況進行記錄與分析，從超過臨界值后到完全掉落出夾具的整個過程約為0.5s，對應的波長測試曲線如圖5所示。

Fig.5 Trend of wavelength shift during sliding

當被夾持物在感知位置上不發(fā)生滑動時，施力與摩擦力可以抵消，這樣中心波長即使因為應變產(chǎn)生偏移，但穩(wěn)定后,波長將不再變化，中心波長也基本不變化。當被夾持物在感知位置上發(fā)生滑動時，感知模塊會受到一個明顯變化的剪切力作用，故中心波長會隨之產(chǎn)生偏移。由此可見，完全可以通過系統(tǒng)光譜分布的測試數(shù)據(jù)分辨出被加持物體是否產(chǎn)生滑動，從而為夾持機構提供數(shù)據(jù)支撐的。

5 結 論

針對自動抓取、裝配等過程可能出現(xiàn)的抓力過大損壞產(chǎn)品或抓力過小滑落的問題，提出了一種基于正交光纖光柵陣列的負載感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用FBG陣列完成對夾具的應力場分布獲取，從而實現(xiàn)對負載夾持狀態(tài)的感知，為抓取、裝配等提供校正反饋信息。實驗顯示，系統(tǒng)具有很好的應力方向識別性，靈敏度高且符合線性變換要求。該系統(tǒng)在自動生產(chǎn)線等領域具有很好的應用價值。