双层正交的光纤布拉格光栅柔性形状传感技术

郭永兴; 杨跃辉; 熊丽

doi:10.37188/OPE.20212910.2306

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双层正交的光纤布拉格光栅柔性形状传感技术

现代应用光学 | 更新时间：2021-11-01

- 双层正交的光纤布拉格光栅柔性形状传感技术
- Double-layer orthogonal fiber Bragg gratings flexible shape sensing technology
- 光学精密工程 2021年29卷第10期页码：2306-2315
- 作者机构：
  
  1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 430081
  2.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430081
- 作者简介：
  
  [ "郭永兴（1986-），男，河南汝南人，博士，副教授，IEEE高级会员，2014年于武汉理工大学获得博士学位，主要从事机器人光纤智能感知技术、光纤光栅传感理论与测试技术方面的研究。E-mail：yongxing_guo@wust.edu.cn" ]
  [ "杨跃辉（1996-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，2018年于洛阳理工学院获得学士学位，主要从事基于光纤光栅的软体机器人形状测量。E-mail：yangyuehui998 @wust.edu.cn杨跃辉（1996-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，2018年于洛阳理工学院获得学士学位，主要从事基于光纤光栅的软体机器人形状测量。E-mail：yangyuehui998 @wust.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52075397;52105558);中国博士后科学基金资助项目(2020M682493);湖北省自然科学基金创新群体项目(2020CFA033)
- DOI：10.37188/OPE.20212910.2306
  中图分类号： TN253;TP242
- 收稿日期：2021-04-10，
  
  修回日期：2021-05-01，
  
  纸质出版日期：2021-10-15
- 稿件说明：
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郭永兴,杨跃辉,熊丽.双层正交的光纤布拉格光栅柔性形状传感技术[J].光学精密工程,2021,29(10):2306-2315.

GUO Yong-xing,YANG Yue-hui,XIONG Li.Double-layer orthogonal fiber Bragg gratings flexible shape sensing technology[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(10):2306-2315.
郭永兴,杨跃辉,熊丽.双层正交的光纤布拉格光栅柔性形状传感技术[J].光学精密工程,2021,29(10):2306-2315. DOI： 10.37188/OPE.20212910.2306.

GUO Yong-xing,YANG Yue-hui,XIONG Li.Double-layer orthogonal fiber Bragg gratings flexible shape sensing technology[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(10):2306-2315. DOI： 10.37188/OPE.20212910.2306.

摘要

软体机器人运行中的形状信息反馈对机器人精准操控非常重要，由于其柔性的躯体特性，对搭载的形状测量传感器的柔顺性同样要求很高，为此面向软件机器人的光纤光栅柔性传感，提出了一种基于双层正交光纤布拉格光栅的可实现三维形状测量的柔性传感器，阐述了传感器的结构组成和测量原理，制备了由两层4×4光纤布拉格光栅阵列组成的传感器原型。对该传感器进行横向和纵向的曲率标定，得到了波长漂移量与曲率之间的线性递增关系；随后开展了三维形状测量研究，通过测量空间传感点的曲率建立三维坐标系，将曲率信息转化为空间坐标信息，再通过对空间离散坐标点的插值拟合来重建被测物体表面的三维形状。该柔性形状传感器可实现对复杂曲面的三维形状感知，曲率测量误差为2.8%~4.5%。本文提供的光纤光栅柔性传感器可为软体机器人的形状测量提供技术支持。

Abstract

Shape information feedback during soft robot operations is critical for its precise control. Due to its flexible body characteristics， high flexibility is a pre-requisite for the mounted shape measurement sensor. Therefore， flexibility of fiber Bragg gratings sensing technology for soft robots was evaluated in this study. In this article， a flexible sensor based on double-layer orthogonal fiber Bragg grating for 3D shape measurement is proposed， and the structure， and measurement principle of the sensor are explained. The sensor prototype comprises two layers of 4×4 fiber Bragg gratings arrays. The curvature calibration experiments of the sensor were carried out in the horizontal and vertical directions， and the linear incremental relationship between the wavelength shift and the curvature was obtained. Then， the three-dimensional shape measurement was optimized， and the three-dimensional coordinate system was established by measuring the curvature of the spatial sensing point， and converting the curvature information into spatial coordinate information. Next， the three-dimensional shape of the measured object surface was reconstructed through interpolation and fitting to the discrete coordinate points in space. The flexibly-shape sensor can realize the three-dimensional shape perception of complex curved surfaces， with a curvature measurement error range of 2.8%-4.5%. The fiber Bragg grating flexible sensor proposed in this article can provide technical support for the shape measurement of soft robots.

关键词

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