本發(fā)明屬于測距傳感器的技術領域，特別是涉及一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)及其方法。

背景技術：

目前，現(xiàn)有的機器人測距傳感器主要有非接觸式測距傳感器和接觸式測距傳感器。非接觸式傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器及視覺傳感器等，其中，激光傳感器和視覺傳感器價格貴，而且對控制器的要求較高，因此現(xiàn)有的移動機器人多采用超聲波傳感器或紅外傳感器進行測距。接觸式測距傳感器類似昆蟲的觸須,通過微動開關和相應的機械裝置實現(xiàn)測距。這種觸須式的傳感器可以安裝在移動機器人四周感知外界障礙物。

超聲波測距基于對渡越時間的測量，即測量超聲波從發(fā)射換能器發(fā)出后被目標反射，沿原路返回到接收換能器所需的時間。由渡越時間和介質(zhì)的聲速即可測距。日本東京大學的Sasaik和Takano研制了一種由步進電機帶動的超聲測距傳感器，可以在90度范圍內(nèi)進行掃描，它可以獲得兩維的位置，也可探測三維空間。在超聲波測距中，超聲波回波處理方法決定了系統(tǒng)的精度和反應速度，因此科研人員主要在該方面進行研究。然而，超聲波傳感器存在測量盲區(qū)的問題，聲音的速度受溫度和風向的干擾，有可能被吸音面給吸收。

紅外傳感器基于三角測量原理。紅外發(fā)射器按一定的角度發(fā)射紅外光束，光束遇到物體后會發(fā)生反射；CCD檢測器檢測反射回來的紅外光線并獲得一個偏移值，利用三角關系，在知道了發(fā)射角度、偏移距、中心矩以及濾鏡的焦距后，傳感器到物體的距離就可以通過幾何關系計算出來。然而，紅外測距傳感器存在檢測最小距離太大的問題，而且對使用環(huán)境有相當高的要求，對于近似黑體的物體無法檢測距離，且周圍的光線等都能導致測量誤差。

觸須傳感器結(jié)構(gòu)簡單、測量精確，成本也低得多，具有廣泛的應用前景。1992年日本學者Tsujimura和Yabuta采用柔性探針，利用其變形特性，根據(jù)探針頂端力大小或扭矩推出接觸點的位置。2001年，歐洲IST啟動了Artificial Mouse計劃，成功研制出移動機器人系統(tǒng)AMouse，該機器人兩側(cè)安裝觸覺傳感器負責兩側(cè)信息的獲取，使移動機器人能順利在各種未知環(huán)境中安全運動。2002年，Miriam Fend小組采用柔性觸須設計了電容式傳感器，當外形輪廓不同時，觸須根部頻域信號就會變化，以此區(qū)別不同物體外形；將由三個觸須傳感器組成的陣列分別安裝在機器人的兩側(cè)，嘗試不同的形態(tài)組合確定最有效的避障方式；實驗表明，機器人能有效避開障礙物。2004年，Dae Eun Kim實驗小組研制了電磁式觸須傳感器，將觸須根部信號進行分離，低頻信號用來進行輪廓識別，高頻信號用來進行紋理識別。2005年，美國加州大學一位工程系的博士生發(fā)明了一種類似蟑螂觸須的觸須傳感器，該觸須傳感器可以擺動，將其安裝在機器人上，當觸須接觸到靠近它的墻時會發(fā)出信號。2006年美國西北大學一個科研小組發(fā)現(xiàn)，老鼠觸須觸碰物體后會在其大腦中形成物體的三維模型，仿照這一原理開發(fā)出一種觸須傳感器陣列，通過計算觸須的彎曲程度和力大小變化重構(gòu)物體形狀，利用這種陣列重構(gòu)人臉。2008年，BIOTACT課題立項啟動，目標是研制新穎的人工觸須傳感器，并將其安裝在自主運動的機器人上實現(xiàn)搜索、識別、跟蹤和快速捕獲目標物。但是，上述觸須傳感器無法精確的計算出傳感器距障礙物的距離，測量精度與測量速度需進一步提高。

國內(nèi)對觸須傳感器的研究較晚，主要集中在高校、科研單位里。上海交通大學設計了類似蝸牛觸角的分節(jié)伸縮式觸須傳感器，通過直流電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)觸須伸縮。但是，該分節(jié)伸縮式觸須傳感器存在一定問題，當探針與待測物體接觸時會引起較大的變形，從而產(chǎn)生一定的誤差。南京航空航天大學的謝清華、谷安等對觸須傳感器進行了大量研究，使觸須傳感系統(tǒng)的測量速度與精度大大提升，但是，該觸須傳感器在躲避障礙物的實驗中仍要依靠經(jīng)驗公式，沒有明確的理論推導，可靠性差。

基于光纖的觸須傳感器在仿生觸須的應用中具有非常大的優(yōu)良特性，包括重量輕，體積小，復用能力，布線簡單，并免于電磁干擾。哈爾濱工程大學機電學院的譚定忠、張立勛等科研小組對水下機器人的觸須傳感器進行了研究，根據(jù)光纖在外力作用下發(fā)生彎曲時傳輸光中有一部分從纖芯耦合入包層導致光強損耗的原理，以光纖作為傳感元件，探針與傳感器觸點剛性連接，在探針橫向四個方向上各有一個傳感器，軸向有一個傳感器，可實現(xiàn)二維平面各方向的檢測。實驗證明該傳感器可使水下作業(yè)機器人準確判斷自己的位置。然而在該論文中并未對基于光纖的觸須傳感器的測距系統(tǒng)及測距方法做過多研究。

綜上所述，現(xiàn)有技術中對于如何解決現(xiàn)有機器人測距系統(tǒng)及測距傳感器受環(huán)境影響大，成本高，無法多次重復使用，制作、使用復雜，可靠性不強，抗電磁干擾的問題，尤其是無法測量離任意形狀的障礙物距離的問題，尚缺乏有效的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服的現(xiàn)有技術中如何解決現(xiàn)有機器人測距系統(tǒng)及測距傳感器受環(huán)境影響大，成本高，無法多次重復使用，制作、使用復雜，可靠性不強，抗電磁干擾的問題，尤其是無法測量離任意形狀的障礙物距離的問題，提供一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括仿生觸須傳感器、底部基座、電機和解調(diào)儀，所述底部基座外部側(cè)面設置若干所述仿生觸須傳感器，所述底部基座內(nèi)部安裝所述電機，所述電機與所述仿生觸須傳感器連接，控制所述仿生觸須傳感器轉(zhuǎn)動進行掃描式感知，所述仿生觸須傳感器與所述解調(diào)儀連接，所述解調(diào)儀與機器人的上位機連接，所述仿生觸須傳感器將FBG波長變化傳輸至所述解調(diào)儀解調(diào)，并將解調(diào)信號傳輸至上位機，由上位機進行信號分析得到機器人在運動過程中遇到的障礙物并得到離障礙物的距離。

進一步的，所述底部基座采用空心六棱柱，空心六棱柱的六個外側(cè)面中心位置均設置一個所述仿生觸須傳感器，所述仿生觸須傳感器與其連接的空心六棱柱的側(cè)表面垂直。

進一步的，所述仿生觸須傳感器包括仿生觸須結(jié)構(gòu)，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)內(nèi)部設置中空空間，所述中空空間內(nèi)嵌入光纖，所述光纖的光柵位置設置到靠近仿生觸須結(jié)構(gòu)根部。

進一步的，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)的材料采用聚二甲硅氧烷。

進一步的，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)的材料采用液態(tài)聚二甲硅氧烷和其配套的固化劑混合物混合組成；所述液態(tài)聚二甲硅氧烷和其配套的固化劑混合物的混合比例為質(zhì)量比10：1。

本發(fā)明為了克服的現(xiàn)有技術中如何解決現(xiàn)有機器人測距系統(tǒng)及測距傳感器受環(huán)境影響大，成本高，無法多次重復使用，制作、使用復雜，可靠性不強，抗電磁干擾的問題，尤其是無法測量離任意形狀的障礙物距離的問題，提供一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)的測距方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)的測距方法，應用于一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

(1)在機器人行進過程中利用所述電機轉(zhuǎn)動帶動所述仿生觸須傳感器轉(zhuǎn)動進行掃描式感知，當機器人在行進過程中碰到障礙物后，所述電機停止運動，所述仿生觸須傳感器發(fā)生彎曲，嵌入在所述仿生觸須傳感器中的FBG波長發(fā)生變化；

(2)將所述仿生觸須傳感器發(fā)生彎曲前后的FBG波長信號傳輸至所述解調(diào)儀解調(diào)，并將解調(diào)信號傳輸至上位機得到FBG波長變化量，在上位機內(nèi)根據(jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)模型建立FBG波長變化量與光柵位置處的撓度的數(shù)學模型，得到光柵位置處的撓度；

(3)將所述仿生觸須傳感器的仿生觸須結(jié)構(gòu)作為彈性梁進行分析，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)在與障礙物觸碰過程中，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)會彎曲變形，通過步驟(2)中得到的光柵位置處的撓度，根據(jù)撓曲線微分方程得到接觸距離，從而獲得障礙物的位置信息。

進一步的，所述步驟(2)中，基于懸臂梁結(jié)構(gòu)模型的FBG波長變化量與光柵位置處的撓度的數(shù)學模型如公式(1)所示：

其中，Δλ_B是F BG波長變化量，y是光柵粘貼位置處的撓度，ρ_e是光纖的光彈性系數(shù)，L是仿生觸須結(jié)構(gòu)的長度，x是光柵粘貼位置，d是仿生觸須結(jié)構(gòu)的半徑。

進一步的，所述步驟(3)中，撓曲線微分方程為：

其中，y是距仿生觸須結(jié)構(gòu)根部距離為x處的撓度，E為彈性楊氏模量，I為橫截面的轉(zhuǎn)動慣量，M(x)為仿生觸須結(jié)構(gòu)根部彎矩。

進一步的，所述步驟(3)中，仿生觸須結(jié)構(gòu)在碰觸到障礙物后沿原方向移動微小距離，故觸碰過程中變形足夠小，此時與1相比很小，可以忽略，則撓曲線微分方程(3)可近似為：

EIy″＝M(x)＝-F(l-x) (4)

對上式(4)積分可得到觸須撓曲線方程：

其中，C1、C2為常數(shù)。

進一步的，所述步驟(3)中，當仿生觸須結(jié)構(gòu)碰觸到物體時，根據(jù)如下公式計算仿生觸須結(jié)構(gòu)根部彎矩

M(x)＝-F(l-x) (2)

其中，M(x)為仿生觸須結(jié)構(gòu)根部彎矩，F(xiàn)為仿生觸須結(jié)構(gòu)在接觸點所受的力，l為仿生觸須結(jié)構(gòu)根部到接觸點距離。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明的一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)采用仿生觸須傳感器、底部基座、電機和解調(diào)儀，仿生觸須傳感器中空空間內(nèi)嵌入光纖，光纖的光柵位置設置到靠近仿生觸須結(jié)構(gòu)根部，制作、使用簡單，實現(xiàn)了受環(huán)境影響小，成本低，可多次重復使用，可靠性強，抗電磁干擾的效果。

2、本發(fā)明的一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)和其測距方法，根據(jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)模型建立FBG波長變化量與光柵位置處的撓度的數(shù)學模型，并將所述仿生觸須傳感器的仿生觸須結(jié)構(gòu)作為彈性梁進行分析，根據(jù)撓曲線微分方程得到接觸距離，從而獲得障礙物的位置信息，實現(xiàn)了感知到機器人在運動過程中遇到的障礙物并得到離障礙物的距離，并且實現(xiàn)了可測離任意形狀障礙物的距離。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當限定。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的仿生觸須傳感器力學模型；

圖3為本發(fā)明的仿生觸須傳感器運動示意圖；

圖4為本發(fā)明的一種仿生觸須傳感器與障礙物接觸狀態(tài)示意圖；

圖5為本發(fā)明的另一種仿生觸須傳感器與障礙物接觸狀態(tài)示意圖；

圖6為本發(fā)明的另一種仿生觸須傳感器與障礙物接觸狀態(tài)示意圖；

圖7為本發(fā)明的實施例1的運動示意圖；

其中，1-仿生觸須傳感器，2-底部基座，3-電機。

具體實施方式：

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：

正如背景技術所介紹的，現(xiàn)有技術中的存在現(xiàn)有機器人測距系統(tǒng)及測距傳感器受環(huán)境影響大，成本高，無法多次重復使用，制作、使用復雜，可靠性不強，抗電磁干擾的問題，尤其是無法測量離任意形狀的障礙物距離的問題。

本申請的一種典型的實施方式中，提供了一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括仿生觸須傳感器1、底部基座2、電機3和解調(diào)儀，在本實施例中，所述底部基座2采用空心六棱柱，空心六棱柱的六個外側(cè)面中心位置均設置一個所述仿生觸須傳感器1，所述仿生觸須傳感器1與其連接的空心六棱柱的側(cè)表面垂直。所述底部基座2外部側(cè)面共設置六個仿生觸須傳感器1。但本發(fā)明中的底部基座2并不限制于空心六棱柱結(jié)構(gòu)，同時仿生觸須傳感器1的數(shù)量也不限制于六個，若底部基座2為棱柱結(jié)構(gòu)，則底部基座2的棱柱結(jié)構(gòu)的邊數(shù)與仿生觸須傳感器1的數(shù)量相等；若底部基座2不為棱柱結(jié)構(gòu)，其為中心對稱且軸對稱的結(jié)構(gòu)，且仿生觸須傳感器1均勻分布于所述底部基座2的周圍側(cè)面。

如圖1所示，所述底部基座2內(nèi)部安裝所述電機3，所述電機3與所述仿生觸須傳感器1連接，控制所述仿生觸須傳感器1轉(zhuǎn)動進行掃描式感知，所述仿生觸須傳感器1與解調(diào)儀連接，解調(diào)儀與機器人的上位機連接，所述仿生觸須傳感器1將FBG波長變化傳輸至所述解調(diào)儀解調(diào)，并將解調(diào)信號傳輸至上位機，由上位機進行信號分析得到機器人在運動過程中遇到的障礙物并得到離障礙物的距離。

仿生觸須傳感器1包括仿生觸須結(jié)構(gòu)和光纖，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)的材料采用聚二甲硅氧烷。所述仿生觸須結(jié)構(gòu)內(nèi)部設置中空空間，所述中空空間內(nèi)嵌入光纖，所述光纖的光柵位置設置到靠近仿生觸須結(jié)構(gòu)根部。

在本實施例中，仿生觸須結(jié)構(gòu)的材料采用液態(tài)聚二甲硅氧烷和其配套的固化劑混合物混合組成；所述液態(tài)聚二甲硅氧烷和其配套的固化劑混合物的混合比例為質(zhì)量比10：1。利用抽真空的方式使液態(tài)聚二甲硅氧烷和其配套的固化劑混合物的混合液中的氣泡浮至表面并破裂，再放入120度的烤箱內(nèi)烤一個小時。

在本實施例中，液態(tài)聚二甲硅氧烷(含配套固化劑)采用的型號為Sylgardl84(道康寧公司，購買時提供主劑/固化劑雙組合液態(tài)包裝)。

在本實施例中，一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)的具體制作步驟如下：

(1)制作仿生觸須結(jié)構(gòu)的模具，模具的結(jié)構(gòu)為空心圓柱形；

(2)將光纖放置在模具中軸線位置；

(3)將液態(tài)聚二甲硅氧烷和其配套的固化劑混合物的混合液灌入模具內(nèi)部；

(4)待成形后將模具中的仿生觸須傳感器1取出；

(5)制作中空的硬質(zhì)六棱柱(底部基座2)，在底部基座2的六個側(cè)面的中心位置開孔使仿生觸須傳感器1可以恰好穿過，同時在底部基座2的上表面開一小孔；

(6)將仿生觸須傳感器1與底部基座2進行固定，仿生觸須傳感器1均垂直于六棱柱的六個側(cè)面沿表面向外，將底部基座2中放置電機，將電機與仿生觸須傳感器1連接；

(7)將仿生觸須傳感器1的光纖統(tǒng)一從底部基座2的上表面開的一小孔插出連接至解調(diào)儀。

實施例2：

正如背景技術所介紹的，現(xiàn)有技術中的現(xiàn)有機器人測距系統(tǒng)及測距傳感器受環(huán)境影響大，成本高，無法多次重復使用，制作、使用復雜，可靠性不強，抗電磁干擾的問題，尤其是無法測量離任意形狀的障礙物距離的問題。

本申請的一種典型的實施方式中，提供了一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)的測距方法，應用于一種基于FBG仿生觸須傳感器的機器人測距系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

(1)在機器人行進過程中利用所述電機轉(zhuǎn)動帶動所述仿生觸須傳感器轉(zhuǎn)動進行掃描式感知，當機器人在行進過程中碰到障礙物后，所述電機停止運動，所述仿生觸須傳感器發(fā)生彎曲，嵌入在所述仿生觸須傳感器中的FBG波長發(fā)生變化；

(2)將所述仿生觸須傳感器發(fā)生彎曲前后的FBG波長信號傳輸至所述解調(diào)儀解調(diào)，并將解調(diào)信號傳輸至上位機得到FBG波長變化量，在上位機內(nèi)根據(jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)模型建立FBG波長變化量與光柵位置處的撓度的數(shù)學模型，得到光柵位置處的撓度；

(3)將所述仿生觸須傳感器的仿生觸須結(jié)構(gòu)作為彈性梁進行分析，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)在與障礙物觸碰過程中，所述仿生觸須結(jié)構(gòu)會彎曲變形，通過步驟(2)中得到的光柵位置處的撓度，根據(jù)撓曲線微分方程得到接觸距離，從而獲得障礙物的位置信息。

所述步驟(2)中，基于懸臂梁結(jié)構(gòu)模型的FBG波長變化量與光柵位置處的撓度的數(shù)學模型如公式(1)所示：

其中，Δλ_B是F BG波長變化量，y是光柵粘貼位置處的撓度，ρ_e是光纖的光彈性系數(shù)，L是仿生觸須結(jié)構(gòu)的長度，x是光柵粘貼位置，d是仿生觸須結(jié)構(gòu)的半徑。

所述步驟(3)中，當仿生觸須結(jié)構(gòu)碰觸到物體(障礙物)時，根據(jù)如下公式計算仿生觸須結(jié)構(gòu)根部彎矩

M(x)＝-F(l-x) (2)

其中，M(x)為仿生觸須結(jié)構(gòu)根部彎矩，F(xiàn)為仿生觸須結(jié)構(gòu)在接觸點所受的力，l為仿生觸須結(jié)構(gòu)根部到接觸點距離。

由材料力學公式可知，所述步驟(3)中，撓曲線微分方程為：

其中，y是距仿生觸須結(jié)構(gòu)根部距離為x處的撓度，E為彈性楊氏模量，I為橫截面的轉(zhuǎn)動慣量，M(x)為仿生觸須結(jié)構(gòu)根部彎矩。

所述步驟(3)中，仿生觸須結(jié)構(gòu)在碰觸到障礙物后沿原方向移動微小距離，故觸碰過程中變形足夠小，此時與1相比很小，可以忽略，則撓曲線微分方程(3)可近似為：

EIy″＝M(x)＝-F(l-x) (4)

對上式(4)積分可得到觸須撓曲線方程：

其中，C1、C2為常數(shù)。

在本實施例中，假設仿生觸須傳感器1剛與障礙物接觸時，仿生觸須傳感器1平行于x軸，且機器人沿y軸運動的情況，如圖3所示；

將y_x＝0＝0和y_x′_＝0＝0代入(5)，得C1＝0，C2＝0。則觸須撓曲線方程可寫成：

但是在實際運動過程中，仿生觸須傳感器1與障礙物接觸過程有三種情況，三種情況分別為：仿生觸須傳感器1剛與障礙物接觸時，仿生觸須傳感器1與與水平方向的夾角為正，如圖4所示；仿生觸須傳感器1剛與障礙物接觸時，仿生觸須傳感器1與與水平方向的夾角為負，如圖5所示；仿生觸須傳感器1剛與障礙物接觸時，仿生觸須傳感器1與與水平方向的夾角為零，如圖6所示。

三種情況分析思路一致。下面以圖4為例說明。

設機器人接觸到物體時狀態(tài)為仿生觸須傳感器1與與水平方向的夾角為正，如圖4所示，其運動過程如圖7所示，機器人沿y軸運動。需要說明，機器人實際運動距離y_l很小，為說明方便，圖7為放大后的運動示意圖。

建立如圖7所示的笛卡爾坐標系。因長度與坐標系選擇無關，因此由公式(1)得到仿生觸須傳感器1的光柵所在處撓度y_a值。y_l為機器人運動距離，其值為已知量。α為機器人運動方向與笛卡爾坐標系y軸夾角，其值為已知量，則由y_l的余弦即可得到y(tǒng)_l′。

將y_a和y_l′代入公式(5)，可得

因機器人在接觸到障礙物后向前移動了很小的距離，與接觸距離相比可以忽略，則接觸距離

其中，為觸須與水平方向夾角。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并非對本發(fā)明保護范圍的限制，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改、等同替換或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。