光波导三轴力传感方法的理论分析与实验研究

【摘要】：近年来，智能机器人的发展对传感器提出了越来越高的技术要求，触觉传感作为机器人的主要传感方式之一，已越来越受到人们的广泛关注。常见的触觉传感器可以分为电阻式、压电式、热电式、电容式、磁传导式等多种类型。本文介绍了国内外触觉传感器技术发展的现状，并介绍了一些典型触觉传感器的设计方法，分析了它们各自所具有的优点和所存在的缺点。然而众多的触觉传感器中，在直接检测三轴力方面仍然没有取得令人满意的解决方案。 针对这个问题，本文在光波导单向力触觉传感技术的基础上，提出一种新型的基于光波导原理的三轴触觉传感技术。它具有测力范围较大、不受电磁干扰、耐冲击性好、灵敏度高、易加工等特点，应用前景看好，因此开展该项技术的研究不仅具有重要的科学意义而且具有重要的实用价值。本项目的研究得到了国家自然科学基金的资助。 本文详细地阐述了这种传感器的工作原理和基本结构，并设计了相应的实验系统。它由一个硅橡胶垫、一个光波导路、一个三轴力加载装置和光斑的采集设备等组成。硅橡胶垫作为力敏感区，一侧制作成圆柱触头阵列，用于接触对象物体，感受三轴力。另一侧制作成圆锥触头阵列，使得每2×2个圆锥触头对应于另一侧的一个圆柱触头，即每个圆柱触头下分布2×2个圆锥触头，构成一个力敏感单元，并使橡胶垫有圆锥触头的一面与光波导板接触。圆柱触头受外力F作用时，对应的四个圆锥触头将受到挤压，由于光波导路中导波的全内反射条件遭到破坏而产生光泄漏，在波导板上形成光斑。当三个方向分力大小不同时，就一个圆柱触头而言，下面的4个圆锥触头与丙烯板的接触面积不相等，因而位于丙烯板另一面的CCD摄像器所摄取到的光斑面积也不相同。换言之，三轴力的大小与各个亮斑面积的大小存在一定的对应关系。 论文以平面光波导的几何光学理论为基础，分析了光波导从(n0-n1-n0)对称波导向(n2-n1-n0)非对称波导转变中导波模式所发生的变化。结果表明，当传感器受到外力F时，在波导中将有个模式不能继续存在于波导中而辐射出去。 WP=6论文应用麦克斯韦电磁理论对光斑形成机理进行了深入研究，得到如下结论：平面波导就相当于一个高通滤波器，波导类型不同，截止频率将发生变化，光斑的形成则是由于对称平面波导（n0-n1-n0）转变为非对称平面波导（n2-n1-n0）过程中截止频率改变的结果。对存在于对称平面波导中的各个模次的光，将有的光被泄漏，而CCD所摄到的则是其中被反射的一部分。 本文还利用有限元分析法，通过对圆柱触头受三轴力时力敏感单元的接触变形分析，发现施加到圆柱触头上的力的三个分量可以通过该圆柱触头所对应的2×2个圆锥触头与光波导板接触时泄漏出的光斑面积确定。通过CCD摄取此光斑送入计算机进行处理，从而可以求出光斑面积大小。在ANSYS中应用APDL语言编程，经过大量的模拟和仿真，建立了外力和光斑面积之间相应的数学模型关系。 最后，通过大量的实验数据，验证了该理论公式的可靠性。反之，可以很容易地通过光斑面积计算出圆柱触头所受到的外力，检测到在任意方向上的分力大小，从而为智能机器人三轴力触觉传感技术提供了一种新的解决方案。