光纖Bragg光柵觸覺(jué)傳感器研究進(jìn)展*

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(jué)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(cè)、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(jué)傳感器[2～4]的數(shù)量逐漸增多，由此帶來(lái)的測(cè)量電路穩(wěn)定性、信號(hào)噪聲、電磁干擾等問(wèn)題不可忽視。另一方面，觸覺(jué)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(lái)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(zhǎng)編碼等特點(diǎn)，尤其是通過(guò)檢測(cè)反射光譜峰值或傳輸光譜凹陷中心位置，就可檢測(cè)到應(yīng)力、溫度、加速度等參數(shù)從而測(cè)出外界擾動(dòng)，很適合應(yīng)用于觸覺(jué)傳感系統(tǒng)中，在多觸覺(jué)的傳感測(cè)試領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating,FBG)的觸覺(jué)傳感、信息處理和加工工藝等方面開(kāi)展了相應(yīng)的研究，本文以FBG傳感原理為基礎(chǔ)，闡述了國(guó)內(nèi)外FBG觸覺(jué)傳感器的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)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(wú)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(zhǎng)，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(zhǎng)也會(huì)發(fā)生改變。

圖1 FBG傳感器原理與光譜

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

溫度的變化主要通過(guò)光纖的熱膨脹效應(yīng)影響光柵周期和通過(guò)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jué)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(cè)量帶來(lái)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(chēng)啁啾效應(yīng)[9]。

2 FBG觸覺(jué)傳感器的研究現(xiàn)狀

FBG傳感器的基本測(cè)量物理量是溫度和壓力。基于此研究者[10，11]設(shè)計(jì)了一系列的溫度和壓力傳感器，通過(guò)一些特殊的結(jié)構(gòu)布置，可以獲得位移、溫覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等一系列的物理信息。

2.1 FBG力觸覺(jué)傳感器

檢測(cè)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(jué)傳感上得到迅速發(fā)展，且各國(guó)在力覺(jué)傳感器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多維力覺(jué)傳感器和陣列式觸覺(jué)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(zhǎng)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(zhǎng)的變化差作為測(cè)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(cè)量。

圖2 A.Fernandez傳感器結(jié)構(gòu)體

2006年，韓國(guó)Heo Jin-Seok等人[13]提出了一種類(lèi)似于人體皮膚的力覺(jué)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(jué)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(cè)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(jué)信號(hào)。

圖3 類(lèi)皮膚觸覺(jué)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(cè)量力的大小，也可獲得力作用位置、深度信息。

圖4 觸覺(jué)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(cè)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(cè)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(guò)切比雪夫準(zhǔn)則確定，如圖5。通過(guò)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(jué)傳感器測(cè)量了單連桿機(jī)器人指尖的位置和旋轉(zhuǎn)角度。同年，德國(guó)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(cè)量正負(fù)應(yīng)變。每個(gè)傳感器的長(zhǎng)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(jué)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(cè)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(cè)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(jué)傳感器

2014年，韓國(guó)國(guó)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(zhǎng)的光纖光柵。測(cè)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(guò)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(cè)信號(hào)頻率的不同分別進(jìn)行了高頻檢測(cè)和低頻檢測(cè)。檢測(cè)的結(jié)果采用了雙FBG匹配解調(diào)法解調(diào)，該方法不僅測(cè)量效果好而且可以補(bǔ)償溫度。高頻檢測(cè)是對(duì)超聲進(jìn)行檢測(cè)，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(zhǎng)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(cè)主要對(duì)碰撞沖擊信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)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(jué)傳感器上，設(shè)計(jì)了一種3×3的陣列FBG觸覺(jué)傳感器。

2016年，中國(guó)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(cè)量體，在外測(cè)量體的4根橫梁上分別布置4只FBG傳感器，用來(lái)測(cè)量手指的周向應(yīng)力；內(nèi)測(cè)量體布置2只FBG傳感器，其中1只預(yù)緊后用于測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(jué)傳感器

目前,基于FBG原理的滑覺(jué)傳感器報(bào)道相對(duì)較少，越來(lái)越多的人開(kāi)始了對(duì)于FBG滑覺(jué)傳感器的研究。表現(xiàn)為：通過(guò)檢測(cè)位置的變化來(lái)檢測(cè)物體是否滑動(dòng)；通過(guò)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)來(lái)檢測(cè)物體是否滑動(dòng)；通過(guò)摩擦系數(shù)的變化來(lái)檢測(cè)物體是否滑動(dòng)。第一種方法要建立合適的觸覺(jué)陣列才能完成檢測(cè)；第二種方法一般會(huì)使用類(lèi)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(cè)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(cè)，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(guò)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(cè)。因?yàn)樵摲椒ㄐ枰瑒?dòng)后才能檢測(cè)出來(lái)，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(cè)滑動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是否包含高頻分量來(lái)檢測(cè)滑動(dòng)。目前對(duì)振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)滑覺(jué)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(cè)到滑動(dòng)的，第三種可以在滑動(dòng)之初就可以檢測(cè)出物體的滑動(dòng)。其主要原理是通過(guò)摩擦力和法向力的比值計(jì)算出摩擦系數(shù)，由庫(kù)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(jué)傳感器獲取摩擦力和法向力來(lái)檢測(cè)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(jué)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(guò)選擇合適的采樣長(zhǎng)度和閾值可得到最佳的檢測(cè)效果。

基于此理論，合肥工業(yè)大學(xué)的錢(qián)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(lái)檢測(cè)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(cè)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(cè)滑動(dòng)的趨勢(shì)，還可以檢測(cè)滑動(dòng)的速度?；X(jué)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(cè)。

圖10 滑覺(jué)傳感器

3 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)試等方面，未來(lái)光纖光柵傳感器用于智能機(jī)器人觸覺(jué)傳感領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋?/p>

1)FBG觸覺(jué)傳感器的重要研究方向之一是力觸覺(jué)的感知，通過(guò)對(duì)力傳感單元的重構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)FBG滑覺(jué)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(jué)傳感，構(gòu)建基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的FBG觸覺(jué)傳感系統(tǒng)將是進(jìn)一步研究重點(diǎn)之一。