本發(fā)明涉及傳感器領域，更具體地說，涉及一種光纖光柵力覺傳感器。

背景技術：

力覺傳感器是智能機器人的感知部件,安裝在機器人的手臂等和末端執(zhí)行器中間,將感知的力/力矩信息反饋至計算機,以便控制末端執(zhí)行器運動的方向和位置,實現(xiàn)機器人自適應調(diào)節(jié),完成自動裝配等精密作業(yè)。

光纖光柵(FBG)是一種新型的光無源器件，利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，可以改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。被測量(溫度、應力/應變)引起光柵柵距的變化，從而反射峰的中心波長發(fā)生移動，通過波長解調(diào)系統(tǒng)得到反射峰移動量，即可獲得被測量的大小。

核電設備結(jié)構復雜，設備本身或其運行環(huán)境具有放射性，同時還兼具水下、高溫、高壓等特點，利用機器人進行設備檢修、乏燃料轉(zhuǎn)運、放射性廢物處置和核事故應急處理等工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照劑量和勞動強度，致力于開發(fā)出適應核輻射環(huán)境。性能先進、可靠的核電站機器人一直是核工業(yè)界追求的目標。

考慮到核電機器人對傳感器的特殊要求，通過對國內(nèi)外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和核電環(huán)境的特殊性研究后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術有以下缺點：敏感元件采用電信號輸出，容易引起電氣和電磁干擾；傳感單元較多，電極、引線復雜，導致傳感器比較笨重；敏感元件、電極電路、彈性體材料在高溫、高壓、高腐蝕、高輻射的核電特殊復雜環(huán)境中可靠性和壽命大大降低，而核電工作環(huán)境的特殊性導致了傳感器失效后無法及時更換；彈性體結(jié)構不能滿足核電機器人體積小、質(zhì)量輕、耐沖擊的使用要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種光纖光柵力覺傳感器。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種光纖光柵力覺傳感器，包括本體、光纖光柵和光檢測裝置，其中，

所述本體表面至少有一個刻槽，光纖光柵放置在所述刻槽內(nèi)，所述光纖光柵上刻寫至少一個光柵，所述光纖光柵連接所述光檢測裝置；

所述本體在外部力的作用下發(fā)生形變，引起所述光纖光柵發(fā)生形變，通過所述光檢測裝置測量所述光纖光柵中光波波長的變化，確定所述外部壓力的大小和方向。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，所述本體為球形本體，所述球形本體有至少一個切面，所述切面為將所述球形本體的一部分切除所形成的切割面。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，所述球形本體包括六個切面，其中，第一切面和第二切面互相平行，且分別位于所述球形本體兩側(cè)；

第三切面和第四切面垂直于所述第一切面和所述第二切面，所述第三切面和所述第四切面互相平行，且分別位于所述球形本體兩側(cè)；

所述第一切面、所述第二切面、所述第三切面和所述第四切面的所在平面形成空心柱體，第五切面和第六切面垂直于所述空心柱體，所述第五切面和所述第六切面互相平行，且分別位于所述球形本體兩側(cè)。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，在所述球形本體表面刻槽，所述刻槽經(jīng)過切面。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，第一刻槽位于經(jīng)過所述球形本體的中心的平面內(nèi)，且所述第一刻槽垂直于所述第一切面、所述第二切面、所述第三切面和所述第四切面所在的平面形成的空心柱體，所述第一刻槽繞所述球形本體一周。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，第二刻槽位于經(jīng)過所述球形本體的中心的平面內(nèi)，且所述第二刻槽所在平面垂直于所述第一刻槽所在的平面，所述第二刻槽繞所述球形本體一周。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，所述第一刻槽和所述第二刻槽相交點所在的切面包括第三刻槽，所述第三刻槽將所述第一刻槽和所述第二刻槽連接起來，所述第三刻槽具有弧度，方便光纖從所述第一刻槽繞至所述第二刻槽。

在本發(fā)明所述的光纖光柵力覺傳感器中，所述光纖上刻寫有六個光柵，所述光纖在所述第一刻槽、所述第二刻槽和所述第三刻槽繞所述球形本體兩周，且所述六個光柵分別落在所述六個切面內(nèi)。

本發(fā)明還提供一種光纖光柵力覺傳感器的壓力檢測方法，該壓力檢測方法包括下述步驟：

將光纖光柵力覺傳感器安裝在機器的受力部位，并通過光纖與光檢測裝置連接；

光纖光柵力覺傳感器在受到外力后發(fā)生形變，纏繞在光纖光柵力覺傳感器上的光纖隨之發(fā)生形變，引起光纖中的光波產(chǎn)生變化；

光檢測裝置測量光纖中光波的變化量，根據(jù)預先標定的波長與受力之間的對應關系，得到不同方向的力的大小和力矩。

實施本發(fā)明的一種光纖光柵力覺傳感器，具有以下有益效果：本發(fā)明的光柵力覺傳感器基于光纖傳感，適應核電特殊環(huán)境下應用，克服了傳統(tǒng)傳感器易受電氣干擾，易受電磁干擾的缺陷；發(fā)揮光纖傳感器耐熱、耐腐蝕、耐輻射的優(yōu)點，使用特殊的封裝材料及封裝技術，滿足傳感器在高溫、高壓、高腐蝕、高輻射的核電特殊復雜的環(huán)境下的使用要求；光纖傳感器體積小、精度高；采用特殊輕質(zhì)材料制作，質(zhì)量輕；特殊結(jié)構設計，滿足機器人足部和指部等的靜、動態(tài)特性，承受足夠大的沖擊載荷，可測范圍大。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明光纖光柵力覺傳感器的立體結(jié)構示意圖；

圖2是本發(fā)明光纖光柵力覺傳感器的切面結(jié)構示意圖；

圖3是本發(fā)明光纖光柵力覺傳感器俯視圖；

圖4是本發(fā)明光纖光柵力覺傳感器的壓力檢測方法的流程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

本實施例公開一種光纖光柵力覺傳感器，其包括本體、光纖光柵和光檢測裝置，其中，

所述本體表面至少有一個刻槽，光纖光柵放置在所述刻槽內(nèi)，所述光纖光柵上刻寫至少一個光柵，所述光纖光柵連接所述光檢測裝置；

所述本體在外部力的作用下發(fā)生形變，引起所述光纖光柵發(fā)生形變，通過光檢測裝置測量所述光纖光柵中光波波長的變化，確定所述外部壓力的大小和方向。

本體的形狀根據(jù)實際的應用場景進行具體場景設計，才采用球體、柱體等；本體的大小根據(jù)實際的應用場景進行具體場景設計，本實施例對此不做限定。光纖中刻寫光柵的數(shù)量和光柵之間的距離根據(jù)本體的形狀和大小確定。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，本體為球形本體101，球形本體101有至少一個切面，切面為將球形本體101的一部分切除所形成的切割面。這里所說的球形本體101不僅包括正球體，也包括橢球體，以及類球體，例如，規(guī)則的多面體以及不規(guī)則的多面體。需要注意的是，本實施例中的球體光纖光柵力覺傳感器應用于核電機器人的足部和指部，因此要求球體具有平滑的過度，便于旋轉(zhuǎn)，方便機器人足部和指部的運動。同時，球體的材質(zhì)應是具有彈性體材料，需采用輕質(zhì)高強度合金，如鈦合金等，滿足傳感器在機器人在足部行進和指部抓握過程中產(chǎn)生的沖擊強度要求，且彈性體作為一個整體采用高強度輕質(zhì)合金一次加工成型，彈性體結(jié)構在滿足敏感元件測應變靈敏性的前提下，確保強度和較輕便的質(zhì)量。光纖光柵力覺傳感器與機器人部位的銜接，可根據(jù)不同類型機器人的不同部位的安裝需求，設計安裝孔位，進行銜接。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，球形本體101包括六個切面，其中，第一切面103和第二切面互相平行，且分別位于球形本體101兩側(cè)；

第三切面106和第四切面垂直于第一切面103和第二切面，第三切面106和第四切面互相平行，且分別位于球形本體101兩側(cè)；

第一切面103、第二切面、第三切面106和第四切面的所在平面形成空心柱體，第五切面107和第六切面垂直于空心柱體，第五切面107和第六切面互相平行，且分別位于球形本體101兩側(cè)。

本實施例在球形本體101上取六個切割面，也可根據(jù)需要取四個切面、八個切面等，切面的選取規(guī)則與取六個切面的方法相同，保證取過切面的球形本體101能保持平滑過度，方便安裝在機器人的銜接部位。六個切面既可以對稱相同，也可以根據(jù)需求切割。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，在球形本體101表面刻槽，刻槽經(jīng)過切面。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，第一刻槽102位于經(jīng)過球形本體101的中心的平面內(nèi)，且第一刻槽102垂直于第一切面103、第二切面、第三切面106和第四切面所在的平面形成的空心柱體，第一刻槽102繞球形本體101一周。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，第二刻槽104位于經(jīng)過球形本體101的中心的平面內(nèi)，且第二刻槽104所在平面垂直于第一刻槽102所在的平面，第二刻槽104繞球形本體101一周。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，第一刻槽102和第二刻槽104相交點所在的切面包括第三刻槽105，第三刻槽105將第一刻槽102和第二刻槽104連接起來，因為光纖的特性，不能隨意彎折，需要控制一定的彎折角度，否則會引起光的傳播失真，所以第三刻槽105具有一定弧度，弧度的大小根據(jù)傳感器的大小和相交刻槽的角度確定，方便光纖從第一刻槽102繞至第二刻槽104，不影響光波在光纖中的傳輸。

本發(fā)明中光纖光柵力覺傳感器的本體上的刻槽的數(shù)量根據(jù)本體的形狀以及需要測量的外力的分布情況確定。

在本發(fā)明的光纖光柵力覺傳感器中，光纖上刻寫有六個光柵，光纖在第一刻槽102、第二刻槽104和第三刻槽105繞球形本體101兩周，且六個光柵分別落在六個切面內(nèi)。在光纖光柵力覺傳感器受到外力之前，利用光檢測裝置檢測光纖中的各個光柵的光波分布，記錄為原始光信號；在光纖光柵力覺傳感器受到外力發(fā)生形變后，光纖隨之發(fā)生形變，例如拉伸或壓縮，導致光纖中的光波波長發(fā)生變化，光檢測裝置檢測到各個光柵的光波變化量，根據(jù)預先標定的波長與受力之間的對應關系以及變化量確定受到外力的大小和方向，也就是六個切面所受外力的大小和方向。

需要說明的是，預先標定的波長和受力之間的關系要考慮本體所用的材質(zhì)、形狀、大小以及所用光波的波段，也就是說，根據(jù)本發(fā)明的原理制作的傳感器，其預先標定的波長和受力之間的關系是不同的，需要在確定好傳感器的材質(zhì)、形狀、大小以及所用光波的波段的基礎上，根據(jù)測試結(jié)果確定標定的波長和受力之間的對應關系。

另，針對核電機器人手指和足部等的運動軌跡，建立機器人手指和足部本身各連桿之間數(shù)學模型，規(guī)定各種坐標系(如基座坐標系、腕部坐標系、目標坐標系等)，利用齊次變換矩陣描述機器人與環(huán)境的相對位置關系，分析手指和足部的接觸力、沖擊力、變形、彎曲等參數(shù)的感知傳遞與傳感耦合情況；結(jié)合光纖布拉格光柵耦合模方程與傳輸矩陣方法，建立溫度、應變感知模型，分析它們對傳感層光纖光柵的彈性形變、彈光效應、熱膨脹及熱光效應，得出足部和指部傳感器安裝位置的力感知理論分析模型。

如圖1所示，并結(jié)合圖2和圖3，給出一種光纖光柵力覺傳感器的具體參數(shù)，光纖光柵力覺傳感器的球體的半徑為15mm，切面的半徑為7.5mm，兩個平行切面之間的距離為25.98mm，刻槽的槽深為0.6mm，刻槽的槽寬為0.6mm，根據(jù)以上參數(shù)設計的光纖光柵力覺傳感器經(jīng)測試，可達到下表的性能參數(shù)：

表1光纖光柵力覺傳感器的性能參數(shù)表

另，如圖4所示，基于上述的光纖光柵力覺傳感器，本發(fā)明還構造一種光纖光柵力覺傳感器的壓力檢測方法，其包括下述步驟：

步驟S101，將光纖光柵力覺傳感器安裝在機器的受力部位，并通過光纖與光檢測裝置連接；

步驟S102，光纖光柵力覺傳感器在受到外力后發(fā)生形變，纏繞在光纖光柵力覺傳感器上的光纖隨之發(fā)生形變，引起光纖中的光波產(chǎn)生變化；

步驟S103，光檢測裝置測量光纖中光波的變化量，根據(jù)預先標定的波長與受力之間的對應關系，得到不同方向的力的大小和力矩。

在本發(fā)明的使用光纖光柵力覺傳感器的壓力檢測方法中，光檢測裝置測量光纖中光波的變化量，根據(jù)預先標定的波長與受力之間的對應關系，得到不同方向的力的大小和力矩步驟包括：

以本體中心為原點，建立包含光纖光柵力覺傳感器的空間直角坐標系；

光檢測裝置分別得到空間直角坐標系中X軸、Y軸、Z軸上的光波變化量，并根據(jù)預先標定的波長與受力之間的對應關系，得到X軸、Y軸、Z軸上的受力大小；

根據(jù)X軸、Y軸、Z軸上的受力大小得到光纖光柵力覺傳感器所受外力的大小和力矩。

以上實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)此實施，并不能限制本發(fā)明的保護范圍。凡跟本發(fā)明權利要求范圍所做的均等變化與修飾，均應屬于本發(fā)明權利要求的涵蓋范圍。