【摘 要】
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仿生机器人是先进制造业的关键支撑装备,机器人触滑觉智能传感技术是机器人捕获外界信息以实现人机交互的关键技术。本文基于体积小、响应速度快、抗电磁干扰能力强的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）,针对柔性触滑觉复合传感问题,采用理论分析、有限元仿真分析与实验研究相结合的方法开展综合深入研究。基于光纤布拉格光栅传感理论,完成封装条件下触滑觉传感理论的研究分析;提出双层“十字型
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仿生机器人是先进制造业的关键支撑装备,机器人触滑觉智能传感技术是机器人捕获外界信息以实现人机交互的关键技术。本文基于体积小、响应速度快、抗电磁干扰能力强的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）,针对柔性触滑觉复合传感问题,采用理论分析、有限元仿真分析与实验研究相结合的方法开展综合深入研究。基于光纤布拉格光栅传感理论,完成封装条件下触滑觉传感理论的研究分析;提出双层“十字型”传感阵列单元,构建封装模型并完成仿真实验研究;搭建触滑觉传感实验系统平台,设计完成温度和触滑觉传感实验研究;依据实验结果,利用算法模型完成触觉传感实验的温度补偿和滑觉实验传感信号的识别与分类。本文的主要研究内容如下:1)从光纤耦合模理论出发,研究了光纤布拉格光栅基础传感理论,分析了温度、应变、压力与光栅中心波长的映射规律,阐明了温度-应变交叉敏感机理;基于材料力学和弹性力学理论,建立了传感信号与数值分析理论模型,构建了光纤布拉格光栅柔性聚合物封装下触滑觉传感的压力和剪切力理论模型,研究了触觉传感中的压力传感机理和滑觉传感中的摩擦力传感机理,揭示了聚合物封装的传感光栅波长漂移与被测参量的映射规律;2)针对触滑觉柔性传感需求,利用基于光纤布拉格光栅的多参量信号传感方法,设计提出了一种双层“十字型”分布式FBG传感阵列单元,构建了聚合物封装模型,通过有限元仿真分析确定了双层结构最优埋置位置;对封装模型进行了温度、压力和剪切力仿真实验研究,分析了传感光栅相应路径上的应力分布;利用FBG封装技术,完成了单“十字型”和双“十字型”阵列触滑觉传感器样机的设计研制;3)为验证传感器触滑觉传感性能,构建了温度和触滑觉传感实验系统平台,利用研制的光纤布拉格光栅柔性触滑觉传感器,设计并完成了温度和触滑觉传感实验。依据实验数据进行数值分析,单“十字型”触觉传感器传感光栅的压力灵敏度为0.0525nm/N和0.0579nm/N,剪切力灵敏度为0.0536nm/N,并通过重复性实验计算触觉测量百分误差平均值在3.77%以内,验证了传感器重复稳定性;双“十字型”触滑觉传感器传感光栅升温及降温平均温度灵敏度为13.001pm/℃和12.937pm/℃,约为裸光纤布拉格光栅的1.3倍,传感光栅压力灵敏度为0.0265nm/N、0.0293nm/N、0.0227nm/N和0.0259nm/N,剪切力灵敏度为0.0602nm/N和0.0636nm/N;控制变量完成了不同滑移方向和滑移速度实验,通过滑觉传感信号,获取了不同滑移方向和滑移速度的传感光栅响应曲线,从而判断不同滑移状态;4)为优化传感器触滑觉传感性能,基于自适应模糊神经网络模型,针对触滑觉传感实验中非标参量温度的影响,构建了网络模型完成温度补偿,结果表明,补偿后,传感误差大幅度降低,传感光栅引用误差均降至2.92%以内;为分类和表征滑觉传感实验的特征信息,基于传感光栅波长传感信号提取滑觉特征量,利用经验模态分解和支持向量机算法模型,通过算法分析,对滑移方向和滑移速度做出了识别和分类。综上所述,本文基于光纤布拉格光栅,开展柔性触滑觉复合传感研究,研制的柔性触滑觉传感器能实现温度、压力、剪切力和滑觉信息的检测,为该传感器应用到机器人触滑觉传感领域奠定了一定的基础。
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