本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖光柵力觸覺傳感器、機(jī)器人及其機(jī)械手指尖。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人智能化的飛速發(fā)展，機(jī)器人對外界信息的力觸覺感知越來越重要，具備力觸覺信息反饋的機(jī)器人才能更加精準(zhǔn)的完成各種精細(xì)、復(fù)雜的作業(yè)內(nèi)容，因此高精度、高可靠性、可集成化的力觸覺傳感器的研發(fā)得到科技界重視。

目前報(bào)道力觸覺傳感器多是基于電容、應(yīng)變片等電磁信號類元件而設(shè)計(jì)的，這類元件受溫度、潮濕等影響產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移大，弱電信號難以抵抗復(fù)雜環(huán)境中存在的電磁干擾，而且信號引線數(shù)量往往較多，不利于微型化和集成化。

光纖光柵傳感技術(shù)因具有體積細(xì)微、光信號抗電磁干擾、可多個(gè)光纖光柵可串接復(fù)用、易于組網(wǎng)測量等突出優(yōu)勢，得到了機(jī)器人傳感領(lǐng)域的重視。韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院(kaist)的jinseokheo等人將一個(gè)光纖光柵嵌入至一個(gè)直徑為100mm的聚二甲硅氧烷(pdms)圓盤內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)單點(diǎn)的觸覺壓力傳感器，當(dāng)有壓力作用在傳感器表面時(shí)，光纖光柵的波長發(fā)生改變；后來又提出了一種“橋型”的力觸覺傳感器，光纖光柵穿過橋型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的孔后固定，在壓力作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸縮變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)空間里的光纖光柵波長發(fā)生相應(yīng)變化。羅馬生物醫(yī)藥大學(xué)的paolasaccomandi等人在帶有凹槽的聚二甲硅氧烷(pdms)結(jié)構(gòu)上布置光纖光柵，在外界力作用下光纖光柵波長發(fā)生變化。申請?zhí)枮?01410213244.8的中國發(fā)明專利公開了一種光纖光柵原理的觸覺陣列傳感器，將帶有多個(gè)光纖光柵的光纖嵌入到一種聚二甲硅氧烷(pdms)薄膜中，形成整體性良好的觸覺傳感體。但上述這些基于光纖光柵原理的觸覺傳感器的制造過程比較繁瑣，而且均未考慮溫度補(bǔ)償問題。

因此，如何提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型光纖光柵力觸覺傳感器成為亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，如何提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型光纖光柵力觸覺傳感器。

為此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種光纖光柵力觸覺傳感器，包括：

固定板，為具有上部表面和下部表面的條形結(jié)構(gòu)；傳遞桿，具有可變形橫梁，傳遞桿通過設(shè)置在可變形橫梁上的緊固件固定在固定板上，傳遞桿的可變形橫梁穿過固定板的上部表面和下部表面并相對于固定板懸空；可變形橫梁包括用于感知外力的受力端和與位于受力端相對一端的輔助端；傳輸光纖，其首端自固定板的下部表面依次預(yù)拉緊穿過可變形橫梁的受力端、固定板的上部表面以及可變形橫梁的輔助端后與傳輸光纖的尾端固定在固定板的下部表面；第一光纖光柵，設(shè)置在靠近可變形橫梁的輔助端下方的傳輸光纖上；第二光纖光柵，設(shè)置在靠近可變形橫梁的受力端下方的傳輸光纖上。

可選地，傳遞桿的受力端和輔助端分別設(shè)置有貫穿傳遞桿上下表面的凹槽，用于為傳輸光纖提供穿過可變形橫梁的通路。

可選地，可變形橫梁的受力端到傳遞桿與固定板的固定位置的距離大于可變形橫梁的輔助端到傳遞桿與固定板的固定位置的距離。

可選地，還包括：關(guān)節(jié)板，與固定板的下部表面固定連接；關(guān)節(jié)板上開設(shè)有貫穿其上下表面的通孔，用于穿過傳輸光纖的首端和尾端，以向外界傳輸光纖光柵信號。

可選地，傳遞桿包括：支撐部，傳遞桿的可變形橫梁通過支撐部相對于固定板懸空固定。

可選地，支撐部為一字形，支撐部的兩端分別與固定板和可變形橫梁固定連接。

可選地，支撐部為l字形，支撐部的兩端分別與固定板和可變形橫梁固定連接。

可選地，支撐部與可變形橫梁為一體化結(jié)構(gòu)。

根據(jù)第二方面，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種機(jī)械手指尖，包括：

指尖套，具有內(nèi)腔，在內(nèi)腔腔壁的預(yù)設(shè)位置設(shè)置有感力區(qū)域；上述第一方面公開的光纖光柵力觸覺傳感器，光纖光柵力觸覺傳感器設(shè)置在指尖套的內(nèi)腔內(nèi)，可變形橫梁的受力端搭接在感力區(qū)域；感力區(qū)域?qū)⒔邮盏降耐饬鬟f給受力端。

根據(jù)第三方面，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種機(jī)器人，包括：

機(jī)器人本體；上述第二方面公開的機(jī)械手指尖，設(shè)置在機(jī)器人本體上；光纖光柵解調(diào)器，設(shè)置在機(jī)器人本體內(nèi)部，光纖光柵解調(diào)器與傳輸光纖的首端及尾端信號連接，光纖光柵解調(diào)器用于對傳輸光纖傳送的光纖光柵信號進(jìn)行解調(diào)得到用于表征受力大小的傳感信號。

本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖光柵力觸覺傳感器、機(jī)器人及其機(jī)械手指尖，傳遞桿具有可變形橫梁，傳遞桿的可變形橫梁穿過固定板的上部表面和下部表面并相對于固定板懸空固定；并且，可變形橫梁包括用于感知外力的受力端和與位于受力端相對一端的輔助端，使得在可變形橫梁的受力端感受到外力時(shí)，能夠引起可變形橫梁產(chǎn)生相應(yīng)的位移，結(jié)構(gòu)緊湊；由于第一光纖光柵設(shè)置在靠近可變形橫梁的輔助端下方的傳輸光纖上，第二光纖光柵設(shè)置在靠近可變形橫梁的受力端下方的傳輸光纖上，從而能夠通過光纖光柵采集到可變形橫梁產(chǎn)生的位移，從而能夠采集到受力端的受力情況。此外，由于光纖光柵成對設(shè)置在可變形橫梁的兩端，使得光纖光柵能夠相對對稱受力，繼而能夠?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償，減少采集誤差。

作為可選的技術(shù)方案，關(guān)節(jié)板與固定板的下部表面固定連接；關(guān)節(jié)板上開設(shè)有貫穿其上下表面的通孔，用于穿過傳輸光纖的首端和尾端，以向外界傳輸光纖光柵信號。通過關(guān)節(jié)板與固定板的下部表面固定連接，使得光纖光柵力觸覺傳感器方便可拆卸連接至關(guān)節(jié)上，從而提高了光纖光柵力觸覺傳感器的可替代性和通用性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)施例1中機(jī)械手指尖及其光纖光柵力觸覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)施例中一種傳遞桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)施例中另一種傳遞桿結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是無線連接，也可以是有線連接。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

為了提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的新型光纖光柵力觸覺傳感器，本實(shí)施例公開了一種光纖光柵力觸覺傳感器，請參考圖1，為本實(shí)施例公開的一種光纖光柵力觸覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，該光纖光柵力觸覺傳感器包括：固定板1、傳遞桿2、傳輸光纖3、第一光纖光柵41和第二光纖光柵42，其中：

固定板1為具有上部表面和下部表面的條形結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，固定板1為剛性材料制備，具體剛度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定。在具體實(shí)施例中，固定板1的條形結(jié)構(gòu)可以為矩形結(jié)構(gòu)，也可以在條形的兩端制作適當(dāng)?shù)膱A弧或倒角等形狀。

傳遞桿2具有可變形橫梁，傳遞桿2通過設(shè)置在可變形橫梁上的緊固件固定在固定板1上，傳遞桿2的可變形橫梁穿過固定板1的上部表面和下部表面并相對于固定板1懸空。在具體實(shí)施例中，傳遞桿2的剛度應(yīng)小于固定板1的剛度，傳遞桿2可以通過焊接的方式固定在固定板1上。在可選的實(shí)施例中，傳遞桿2可以采用柔性材料制備而成。本實(shí)施例中，請參考圖2和圖3，可變形橫梁包括用于感知外力的受力端22和與位于受力端相對一端的輔助端23，具體地，在受力端22接收到外力后，將感知到的外力傳遞給可變形橫梁，從而使得可變形橫梁在受力端提供的外力的作用下發(fā)生位移。

請參考圖1，傳輸光纖3其首端自固定板1的下部表面依次預(yù)拉緊穿過可變形橫梁的受力端、固定板1的上部表面以及可變形橫梁的輔助端后與傳輸光纖3的尾端固定在固定板1的下部表面。需要說明的是，請參考圖1，本實(shí)施例中，傳輸光纖3的首端和尾端應(yīng)當(dāng)交叉引出，而后，將傳輸光纖3的首端和尾端的交叉處固定在固定板1的下部表面，亦即，在對傳輸光纖3的首端和尾端進(jìn)行固定時(shí)，應(yīng)當(dāng)保持傳輸光纖3的首端和尾端能夠正常地向外傳輸光纖光柵信號。本實(shí)施例中，可以通過粘合劑71粘合固定傳輸光纖3的首端和尾端，當(dāng)然，也可以采用例如玻璃焊料、膠水等具有固定功能的物質(zhì)進(jìn)行固定。在具體實(shí)施例中，傳輸光纖3預(yù)拉緊穿過固定板1的上部表面后，在上部表面?zhèn)鬏敼饫w3交匯處也可以通過粘合劑72粘合，以將傳輸光纖3粘合固定在固定板1的上部表面。

第一光纖光柵41設(shè)置在靠近可變形橫梁的輔助端下方的傳輸光纖3上；第二光纖光柵42，設(shè)置在靠近可變形橫梁的受力端下方的傳輸光纖3上。在具體實(shí)施例中，將第一光纖光柵41和第二光纖光柵42上部的光纖使用粘合劑固定在固定板1上部表面，然后將第一光纖光柵41和第二光纖光柵42上部引出的光纖使用光纖熔接機(jī)熔接在一起串聯(lián)起來，第一光纖光柵41和第二光纖光柵42分別穿過傳遞桿的可變形橫梁，懸浮在可變形橫梁的下方，傳輸光纖3穿過可變形橫梁處的部分可相對可變形橫梁滑動(dòng)，對第一光纖光柵41和第二光纖光柵42下部的光纖兩個(gè)光纖施加拉力，使兩個(gè)光纖光柵處于拉伸繃緊狀態(tài)，然后將兩個(gè)光纖光柵下部的光纖使用粘合劑固定在固定板1下部表面。

在可選的實(shí)施例中，傳遞桿2的受力端和輔助端分別設(shè)置有貫穿傳遞桿2上下表面的凹槽，用于為傳輸光纖3提供穿過可變形橫梁的通路，從而有效地減少傳輸光纖7滑落的概率。

在可選的實(shí)施例中，可變形橫梁的受力端到傳遞桿2與固定板1的固定位置的距離大于可變形橫梁的輔助端到傳遞桿2與固定板1的固定位置的距離，以使得在受力端與外界感力區(qū)域接觸時(shí)，輔助端能夠處于自由狀態(tài)，避免輔助端接觸外界物體。

請參考圖1，在可選的實(shí)施例中，該光纖光柵力觸覺傳感器還包括：關(guān)節(jié)板5，與固定板1的下部表面固定連接；關(guān)節(jié)板5上開設(shè)有貫穿其上下表面的通孔51，用于穿過傳輸光纖3的首端和尾端，以向外界傳輸光纖光柵信號。通過關(guān)節(jié)板與固定板的下部表面固定連接，使得光纖光柵力觸覺傳感器方便可拆卸連接至關(guān)節(jié)上，從而提高了光纖光柵力觸覺傳感器的可替代性和通用性。

請參考圖2和圖3，在可選的實(shí)施例中，傳遞桿2包括：支撐部21，傳遞桿2的可變形橫梁通過支撐部21相對于固定板1懸空固定。在一種實(shí)施例中，請參考圖2，支撐部21為一字形，支撐部21的兩端分別與固定板1和可變形橫梁固定連接。在另一種實(shí)施例中，請參考圖3，支撐部21為l字形，支撐部21的兩端分別與固定板1和可變形橫梁固定連接。

在可選的實(shí)施例中，支撐部21與可變形橫梁為一體化結(jié)構(gòu)，以減少應(yīng)變形時(shí)導(dǎo)致支撐部21與可變形橫梁錯(cuò)位所帶來的誤差。

在具體實(shí)施過程中，可根據(jù)應(yīng)用場合的實(shí)際需求，如觸覺力的量程、觸覺力的靈敏度、檢測精度、傳感器體積等指標(biāo)，確定傳感器各個(gè)部件的參數(shù)，傳感器的量程和靈敏度可通過調(diào)整傳遞桿的尺寸、材料等物理參數(shù)來調(diào)整。

多個(gè)該光纖光柵力觸覺傳感器之間，只需選擇不同波長的光纖光柵，引出的信號光纖之間就可以采用光纖熔接機(jī)熔接后串接，實(shí)現(xiàn)一根光纖帶動(dòng)多個(gè)傳感器串聯(lián)復(fù)用，大大減少信號引線，有利于機(jī)器人狹小的布線空間要求。

本實(shí)施例還公開了一種機(jī)械手指尖，請參考圖1，為該機(jī)械手指尖結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)械手指尖包括：指尖套6和上述實(shí)施例公開的光纖光柵傳感器，其中：

指尖套6具有內(nèi)腔，在內(nèi)腔腔壁的預(yù)設(shè)位置設(shè)置有感力區(qū)域61，在具體實(shí)施例中，指尖套6可以采用仿皮膚式復(fù)合材料制備而成。光纖光柵力觸覺傳感器設(shè)置在指尖套6的內(nèi)腔內(nèi)，可變形橫梁的受力端搭接在感力區(qū)域61；感力區(qū)域61將接收到的外力傳遞給受力端。在具體實(shí)施過程中，可以將指尖套6罩在上述實(shí)施例公開的光纖光柵力觸覺傳感器上，并確?？勺冃螜M梁的輔助端不與指尖套6接觸，處于自由狀態(tài)，可變形橫梁的受力端與指尖套6的內(nèi)壁緊密貼合，與指尖套6緊密貼合處的外部感力點(diǎn)附近形成力感知區(qū)域61，然后將指尖套6底部固定在關(guān)節(jié)板5上表面，形成機(jī)械手指尖。

本實(shí)施例中，當(dāng)有外界力作用在指尖套上面的感力點(diǎn)及附近區(qū)域時(shí)，傳遞桿由受力端向輔助端產(chǎn)生位移，推動(dòng)預(yù)拉伸繃緊狀態(tài)的第一光纖光柵進(jìn)一步拉伸，引起第一光纖光柵的波長產(chǎn)生正向漂移，而預(yù)拉伸繃緊狀態(tài)的第二光纖光柵得到緩和，第二光纖光柵的波長產(chǎn)生負(fù)向漂移，將兩個(gè)光纖光柵波長漂移量經(jīng)過差值后，作為傳感器的輸出信號，提高了對力的測量靈敏度，而且由環(huán)境溫度變化引起的同向的波長漂移也被減去消除，實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，更加準(zhǔn)確的測量外界力。在實(shí)驗(yàn)室里，將機(jī)械手指尖固定在力標(biāo)定臺上后，將兩個(gè)光纖光柵的接入信號解調(diào)儀器中，監(jiān)視第一光纖光柵和第二光纖光柵的波長漂移量的差值信號δλ12＝δλ1-δλ2。力標(biāo)定臺設(shè)置多個(gè)不同的觸覺力，獲得不同的觸覺力f和δλ12的對應(yīng)關(guān)系后，將觸覺力設(shè)置為x軸，δλ12設(shè)置為y軸，通過曲線擬合，即可得出觸覺力f與δλ12的函數(shù)關(guān)系。雙光纖光柵差值測量輸出，提高了測量靈敏度，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償。

本實(shí)施例還公開了一種機(jī)器人，包括：機(jī)器人本體、上述實(shí)施例公開的機(jī)械手指尖以及光纖光柵解調(diào)器，其中，上述實(shí)施例公開的機(jī)械手指尖設(shè)置在機(jī)器人本體上；光纖光柵解調(diào)器設(shè)置在機(jī)器人本體內(nèi)部，光纖光柵解調(diào)器與傳輸光纖3的首端及尾端信號連接，光纖光柵解調(diào)器用于對傳輸光纖3傳送的光纖光柵信號進(jìn)行解調(diào)得到用于表征受力大小的傳感信號。

本實(shí)施例提供的光纖光柵力觸覺傳感器、機(jī)器人及其機(jī)械手指尖，傳遞桿具有可變形橫梁，傳遞桿的可變形橫梁穿過固定板的上部表面和下部表面并相對于固定板懸空固定；并且，可變形橫梁包括用于感知外力的受力端和與位于受力端相對一端的輔助端，使得在可變形橫梁的受力端感受到外力時(shí)，能夠引起可變形橫梁產(chǎn)生相應(yīng)的位移，結(jié)構(gòu)緊湊；由于第一光纖光柵設(shè)置在靠近可變形橫梁的輔助端下方的傳輸光纖上，第二光纖光柵設(shè)置在靠近可變形橫梁的受力端下方的傳輸光纖上，從而能夠通過光纖光柵采集到可變形橫梁產(chǎn)生的位移，從而能夠采集到受力端的受力情況。此外，由于光纖光柵成對設(shè)置在可變形橫梁的兩端，使得光纖光柵能夠相對對稱受力，繼而能夠?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償，減少采集誤差。

在可選的實(shí)施例中，關(guān)節(jié)板與固定板的下部表面固定連接；關(guān)節(jié)板上開設(shè)有貫穿其上下表面的通孔，用于穿過傳輸光纖的首端和尾端，以向外界傳輸光纖光柵信號。通過關(guān)節(jié)板與固定板的下部表面固定連接，使得光纖光柵力觸覺傳感器方便可拆卸連接至關(guān)節(jié)上，從而提高了光纖光柵力觸覺傳感器的可替代性和通用性。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。