基于光纤光栅的柔性手指多参数感知研究

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软体机器人在结构和材料上的特殊性使其具有一定的柔性和顺应性,能够实现弯曲、扭转、拉伸等动作,并且在操作中具有一定的连续性和良好的交互性,显著地提高了软体机器人在各种工作环境中的适应能力和安全性。其中,柔性机械手是软体机器人研究的重要组成部分,关于柔性手指多参数触觉感知的研究对柔性机械手的发展具有重要意义。本文主要研究内容如下:1)总结了国内外柔性机械手的研究现状,包括材料结构,驱动方式,重点是传感方案。提出将光纤布拉格光栅(FBG)应用于柔性手感知系统,FBG具有具有体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、可复用等优势,将其作为传感系统的基础元件。2)介绍了传感系统基础检测单元光纤光栅的基本原理,包括光纤光栅的结构,制作方法,应变、温度测量原理以及FBG传感器中的多路复用技术等。最后介绍了 FBG测量的关键因素。这部分对FBG的介绍为下文传感器感知研究中提供理论基础。3)通过结构仿真和有限元分析设计出一款气动手指,通过3D打印和硅胶浇注制作了实物。并加入高抗拉纤维,提高了弯曲性能。4)对柔性手指进行了以压力检测和弯曲检测为主的传感系统搭建。研究分析了在柔性手指内部嵌入FBG的压力感知,并针对弯曲性能研究确定了指尖位置、偏转角、弯曲角3个重要参数,进行了检测和分析。提出一种基于梯度下降的接触检测方法,这种从原始数据出发的识别方法,成本低,准确可靠,为柔性手指的控制和操纵提供了指导,避免抓取或者释放的延迟和不确定性,有利于抓取稳定性分析。为实现初步手指主动感知设计了一款可以通过调整形状来改变传感状态的褶曲传感器,利用褶曲表面的形态来改变嵌入感测元件(FBG)的姿态,进而改变感测元件的感知特性(灵敏度),并进行了滚动检测初步验证了这一点。5)针对压力检测能力的不足,设计出一款新型分级检测传感器,给柔性机械手感知系统提供了一套全新全面的检测方案。实现了对轻微压力保持较高灵敏度的同时,还能提高力的检测范围,该设计对于机器人手指以及人工皮肤研究具有重要意义,实现了复杂接触环境下的力感知能力。最后总结了整个课题工作,提出本研究的创新点和针对当前研究不足需要改进的地方,并对接下来的研究工作进行了展望。
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