机器人手指光纤式压触觉传感器研究

摘要

机器人触觉感知技术对于机器人的智能化应用有着极为重要的意义，随着机器人工作环境的日趋复杂化，机器人在压触觉感知方面的性能要求也越来越高。光纤传感器因具有体积小、柔性好、灵敏度高、抗电磁干扰及成本低等方面优点，在压触觉传感器的微型化、柔性化和阵列化等方面更具有优势。将光纤传感应用到机器人手指压触觉检测是当前机器人触觉感知领域的研究热点之一。
　　本文的主要研究内容及研究成果如下:
　　1)通过对机器人手指触觉感知技术研究现状的检索和分析，发现现有的电子式压触觉传感器存在难柔性化和抗电磁干扰差等不足。针对这一情况，分析了光纤式压触觉传感器的优势和发展现状，结合光纤弯曲特性的传感机理，对光纤式压触觉传感器在机器人手指触觉方面的感知应用进行了相关研究。
　　2)光纤的弯曲形变会对光纤的传输性能产生影响，通过分析弯曲结构对光纤的折射率、数值孔径和传输损耗等参数的影响，论证了光纤弯曲传感应用在手指压触觉感知方面的可行性，并将塑料光纤和石英光纤的传输性能进行了对比分析。
　　3)结合机器人手指形状和光纤弯曲的性能参数，设计了两种光纤压触觉传感器，一种是基于单模光纤纯弯曲结构的压触觉传感器，另一种是基于塑料光纤弯曲和位移结构的压触觉传感器。使用多物理场分析软件COMSOL对光纤的弯曲和结构的受力情况进行仿真模拟，确定了两种压触觉传感器的最佳结构参数。设计了使用纯光纤检测机器人手指弯曲度的测试实验，最后对设计好的压触觉传感器进行柔性材料的封装和制作。
　　4)针对压触觉传感器的解调原理，搭建了实验测试平台，对传感器的性能参数进行了静态实验标定。对机器人手指弯曲检测进行了简单的实验验证。实验结果表明，设计的两种压触觉传感器基本满足要求，其中塑料光纤压触觉传感器的检测范围为0-20N，灵敏度为0.839dBm/N，单模石英光纤压触觉传感器的检测范围为0-4N，灵敏度为0.125mW/N，两者的线性度和重复度都较好。手指弯曲度检测实验效果比较明显，能够检测的角度范围为0-90度，但表现出非线性。
　　文章的最后进行了总结，分析了本文研究的不足，提出需要进一步改进的地方，为接下来的工作研究进行展望。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 机器人手指压触觉研究现状

1．3 机器人手指光纤压触觉研究现状

1．4 论文的主要内容

第二章 光纤弯曲特性的理论分析

2．1 光纤参数特性筒介

2．2 光纤传输特性分析

2．3 光纤弯曲对折射率的影响

2．4 光纤弯曲对数值孔径的影响

2．5 光纤弯曲的传输损耗及传感原理

2．6 小结

3．1 概述

3．2 光纤指尖压触觉传感结构设计

3．3 软件仿真分析

3．3．1 COMSOL Multiphysics概述

3．3．2 塑料光纤弯曲损耗仿真

3．3．3 石英光纤弯曲损耗仿真

3．3．4 塑料光纤压触觉仿真

3．3．5 石英光纤压触觉仿真

3．4 压触觉传感器制作

3．5 小结

4．1 概述

4．2 传感测试系统搭建

4．3 塑料光纤指尖压触觉标定

4．3．1 塑料光纤的弯曲测试

4．3．2 塑料光纤指尖压触觉静态标定

4．3．3 指尖压触觉温度影响

4．4 单模石英光纤指尖压触觉标定

4．4．1 单模石英光纤的弯曲测试

4．4．2 单模石英指尖压触觉静态标定

4．4．3 指尖压触觉动态测试

4．4．4 指尖压触觉温度影响

4．5 小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文、专利和参与的项目