用于形状测量的光纤光栅柔性传感技术研究

作     者：杨跃辉 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭永兴

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤光栅 软体机器人 刚-柔应变耦合 应变传递差异 曲率测量 形状测量 

摘      要：近年来,软体机器人技术成为研究热点,并得到了迅速发展。与此同时,基于软体机器人高度的柔韧与变形特性,使得驱体的柔性材料易受接触物、负载以及自身重力的影响。因此,搭载形状传感器对柔性驱体形状信息实现准确的反馈,是实现软体机器人精准控制的重要环节。传统的基于电磁原理的应变传感器因存在刚度大、体积大、弱点信号易受干扰、零点漂移以及相容性差等问题,与软体机器人融合时难以满足形状测量要求。光纤光栅凭借其精度高、体积小、重量轻、耐腐蚀、易于集成、不受电磁干扰、生物相容性好以及单根光纤可以串联多个测点等优点,成为了软体机器人形状测量的首选传感元件。但是,目前基于光纤光栅的软体机器人形状传感器研究尚存在许多不足,比如:并未从光纤光栅与柔性基体结合的角度探索二者在结合并进行形状测量时的响应规律;大多传感器只能实现多点曲线形状传感,不能实现多点曲面形状传感;传感器只对单方向纯弯曲曲面进行测试,并没有开展复杂曲面的形状测量;此外,传感器制作工艺上也需要完善。针对上述问题,本文结合光纤光栅传感技术的优势和特性,对用于形状测量的光纤光栅柔性传感技术展开了研究,具体工作如下:1.对基于植入式光纤光栅软体机器人形状传感技术研究现状进行了调研。总结归类了光纤光栅的布置方法与传感算法,提出现有研究技术的局限性,对开展后续工作进行了初步的构思。2.结合光纤光栅的传感原理和敏感机制,对基于光纤光栅的形状传感技术进行了理论分析,推导了曲率测量原理,得到了光纤光栅波长变化量和曲率的正比关系。之后,根据光纤在实际情况可能发生的形变,建立三维坐标系,提出了一套曲面重构算法。3.选取聚二甲基硅氧烷和硅胶作为柔性基体,开展了植入光纤光栅的不同杨氏模量软体材料弯曲测量响应特性研究。低杨氏模量的柔性材料与高杨氏模量的刚性二氧化硅的结合时存在的刚-柔应变耦合引起的蠕变、应变传递差异等实际问题。柔性基体和光纤光栅的杨氏模量差异越大,刚-柔耦合引起的蠕滑越严重。而且,光纤光栅的应变传递率与柔性基体的杨氏模量有关,与柔性基体材料无关。得到最大应变传递率为0.680,最小应变传递率为0.260,最大灵敏度为56.649,最小灵敏度为35.668。然后建立应变传递模型验证了实验结果与理论推导的一致性。4.基于光纤光栅的柔性传感器重建实验研究。首先研究了一种基于单向平行阵列光纤光栅的柔性传感器。搭建实验平台,对传感器进行了曲率标定实验,接着对单方向纯弯曲曲面进行了形状测试,最大曲率测量误差为5.7%,最小曲率重建误差为3.4%;在此基础之上,又设计了一种基于上下正交光纤光栅的柔性传感器。搭建实验平台,对传感器进行了曲率标定实验,对复杂曲面进行了重建测试,并对试验结果进行了误差分析,最大曲率测量误差为4.5%,最小曲率测量误差为2.8%。证明了该重构算法的可行性,解决了现有基于光纤光栅软体机器人形状传感器研究中存在的缺陷,为基于植入式光纤光栅的软体机器人形状测量技术的研究提供了科学参考。