基于正交光纖光柵陣列的負(fù)載感知系統(tǒng)研究

王 高，張梅菊，黃漫國(guó)，梁曉波，劉智超

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051; 2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所 狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100022; 3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電測(cè)控技術(shù)研究所， 長(zhǎng)春 130000)

引 言

生產(chǎn)線上有很多自動(dòng)抓取、裝配設(shè)備，隨著國(guó)家工業(yè)化發(fā)展的深化，未來(lái)很多人工裝配過(guò)程也將會(huì)被機(jī)械取代[1]，而通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)物體抓取、裝配就會(huì)涉及抓握力、夾持力等的大小問(wèn)題[2]，研究具有負(fù)載受力狀態(tài)感知的傳感系統(tǒng)，對(duì)于提高抓取、裝配過(guò)程穩(wěn)定性具有重要意義。

在生產(chǎn)線中，傳統(tǒng)的自動(dòng)抓取、裝配機(jī)械結(jié)構(gòu)一般分為兩大類。一是通過(guò)路徑規(guī)劃完成對(duì)機(jī)械臂的控制，這種方法由機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑編程實(shí)現(xiàn)，通常可用于抓取、裝配、點(diǎn)焊等工藝流程中，比較簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)是要求操作位置穩(wěn)定、被操作物體相對(duì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或步驟復(fù)雜都會(huì)使累計(jì)誤差大幅增加，從而導(dǎo)致報(bào)廢率增大。QI等人研究的優(yōu)化A*路徑規(guī)劃算法，提高了機(jī)械臂路徑的穩(wěn)定性，降低了機(jī)械磨損[3]。YOU等人研究的雙向快速擴(kuò)散隨機(jī)樹(shù)算法可以實(shí)現(xiàn)9個(gè)自由度的控制，大大提升了基于路徑控制的復(fù)雜程度[4]。二是采用應(yīng)變片對(duì)夾持位置應(yīng)力監(jiān)測(cè)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變片價(jià)格便宜、處理電路簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是標(biāo)量測(cè)量，無(wú)法提供應(yīng)力的指向性信息，同時(shí)易受電磁干擾對(duì)工況環(huán)境要求高[5-6]。LU等人[7]利用應(yīng)變片采集機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，從而控制動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè)量，其可應(yīng)用于抓握力、夾持力等力度大小的控制。SUMAYYAH等人[8]通過(guò)壓電陣列實(shí)現(xiàn)了4.0cm×4.0cm范圍的應(yīng)力傳感，但由于電路復(fù)雜、價(jià)格高昂，很難廣泛使用。

基于光纖傳感[9]的反饋型控制系統(tǒng)是新型應(yīng)力感知系統(tǒng)，由于其體積小、無(wú)電磁干擾等[10-12]優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)力定向識(shí)別方面具有很好的應(yīng)用前景。作者采用光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating,FBG)[13-18]傳感器陣列設(shè)計(jì)了一種負(fù)載感知模塊，并針對(duì)其靈敏度、穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試分析。

1 負(fù)載感知系統(tǒng)

負(fù)載感知系統(tǒng)由電腦、解調(diào)模塊、光纖及FBG陣列組成。解調(diào)模塊具有8路光纖接口，實(shí)驗(yàn)中采用兩路，分別連接夾持結(jié)構(gòu)中的兩根傳感光纖，再通過(guò)數(shù)據(jù)線將解調(diào)后的數(shù)據(jù)傳輸給電腦。FBG陣列擺布形式為4橫和4縱，分別對(duì)應(yīng)圖1中的y軸和z軸，獲取夾持過(guò)程中在y軸和z軸方向上的應(yīng)力值。利用解調(diào)模塊將回波波長(zhǎng)信息解算成應(yīng)力信息，從而反饋給電腦，通過(guò)電腦得算法分析完成對(duì)夾持狀態(tài)的分析。

Fig.1 Schematic diagram of load sensing system

2 感知陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及解算方法

感知結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用陣列排布結(jié)構(gòu)形式如圖2a所

Fig.2 Design of sensing module

示，對(duì)于單個(gè)FBG而言，其受力分析如圖2b所示。

依據(jù)FBG的工作原理，溫度通過(guò)標(biāo)定可理解為常數(shù)，即得到FBG僅與應(yīng)力應(yīng)變敏感的函數(shù)關(guān)系，則波長(zhǎng)的改變量Δλ與應(yīng)變?chǔ)诺暮瘮?shù)關(guān)系有:

Δλ=(1-p)ελ0

(1)

式中,λ0為初始波長(zhǎng)，p為應(yīng)力系數(shù)。

由圖1可知,x軸方向?yàn)楹穸确较?，也是施力方向，產(chǎn)生的摩擦力為z方向，設(shè)力的大小為F，感知模塊為正方形，故長(zhǎng)度均為d，則FBG的應(yīng)變量可表示為:

(2)

式中，Δd為x軸方向的延長(zhǎng)率，E為楊氏模量，ρ表示泊松比。沿y軸的力F與Δd的正比系數(shù)為k，則代入(2)式有:

(3)

由于材料因受力的應(yīng)變一般不會(huì)特別大，可近似看作α≈β，則:

Δd′=Δdcosβ

(4)

故應(yīng)變可寫(xiě)為:

(5)

應(yīng)變傳感單元主要受力的大小和力的作用影響，而由于FBG陣列是正交排布的，所以，無(wú)論在哪個(gè)方向，產(chǎn)生最大偏轉(zhuǎn)角度都存在一組FBG對(duì)齊夾角不大于45°，這也是正交排布的原因。

3 參量?jī)?yōu)化仿真

為了在不改變系統(tǒng)尺寸、成本的基礎(chǔ)上提高感知模塊靈敏度，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，利用MATLAB對(duì)不同幾個(gè)可調(diào)參量進(jìn)行了分析計(jì)算。夾持材料采用5.0cm×5.0cm的橡膠塊，楊氏模量值是2.843GPa,泊松比是0.463。主要仿真參量為FBG埋入深度，即x軸中的Δx。由于埋入深度對(duì)成本及體積基本沒(méi)有影響，是一個(gè)比較理想的調(diào)節(jié)參量。其次是對(duì)FBG的有效長(zhǎng)度l進(jìn)行仿真，由于其同樣也是不影響成本與體積的，但其會(huì)對(duì)空間分辨有影響，所以在仿真分析時(shí)，給它的調(diào)節(jié)區(qū)間是要結(jié)合夾持區(qū)域范圍設(shè)定的。仿真結(jié)果如圖3所示。

Fig.3 Parameter simulation of sensor module

圖3a中，F(xiàn)BG的長(zhǎng)度是固定的，設(shè)置數(shù)值為10.0mm，然后對(duì)不同埋入深度進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果可知，不同位置處應(yīng)變響應(yīng)不同，同一位置處不同深度對(duì)形變的影響也不同，從3.0mm～7.0mm逐漸加深，靈敏度先是增強(qiáng)，后又減小，大約在5.0mm位置時(shí)達(dá)到最優(yōu)值，從此可見(jiàn)，F(xiàn)BG埋入深度選取5.0mm可以獲得最優(yōu)效果。

圖3b中，將FBG放置深度設(shè)置為5.0mm，然后對(duì)不同長(zhǎng)度進(jìn)行仿真分析，由結(jié)果可知，不同位置處應(yīng)變響應(yīng)不同，同一位置處不同F(xiàn)BG長(zhǎng)度對(duì)形變的影響也不同，從2.0mm～10.0mm逐漸加長(zhǎng)，靈敏度也逐漸增加，呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，但由于FBG尺寸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致感知模塊的空間分辨率降低，故尺寸選擇原則應(yīng)是符合空間分辨率時(shí)的FBG最大值為宜。從此可見(jiàn)，在本系統(tǒng)中，當(dāng)放置深度為5.0mm時(shí)，F(xiàn)BG長(zhǎng)度選擇10.0mm最合適。

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由寬帶光源、光隔離器、光耦合器、光纖光柵解調(diào)模塊(光譜分辨率為±0.5pm)、電腦及光纖光柵傳感陣列組成。負(fù)載感知模塊為兩個(gè)正對(duì)的5.0cm×5.0cm的橡膠塊，夾持重量范圍0kg～10kg。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，逐漸增加負(fù)載上的重量，在被夾物體發(fā)生移動(dòng)前，測(cè)試了不同施力條件下感知系統(tǒng)的響應(yīng)能力。當(dāng)重量進(jìn)一步增大、物體產(chǎn)生移動(dòng)時(shí)，又對(duì)狀態(tài)改變條件下的回波光譜變化進(jìn)行了分析。FBG埋入深度為5.0mm，夾持物大小為4.0cm×4.0cm的正方體塊。

4.1 感知精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖2a的分布設(shè)計(jì)可知，雖然有8個(gè)傳感單元，但是對(duì)于中間位置而言，如果是對(duì)稱位置的話，那樣兩個(gè)對(duì)稱位置的FBG響應(yīng)效果是相近的，故下面著重給出了在針對(duì)中心位置受力條件下FBG1,FBG3,FBG5和FBG7的波長(zhǎng)變化，首先是左右不施力，而僅受重力遞增的條件(z軸方向)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4a所示。然后再在固定重力的條件下，在水平方向上施加作用力(y軸方向)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4b所示。

Fig.4 Variation of applied wavelength in different directions

由圖4a中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其中FBG1和FBG5基本沒(méi)有響應(yīng)，只是有微弱波動(dòng)，由其安排的位置可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)FBG的軸向位置與施力方向垂直，受力敏感度弱，相反，F(xiàn)BG3和FBG7隨著施力的增大而增大，并且基本成線性變化關(guān)系，這兩個(gè)FBG的軸向位置與施力方向平行。同時(shí)， 兩個(gè)FBG的波長(zhǎng)變化方向是相反的，這是因?yàn)橐粋€(gè)為拉伸效果一個(gè)為壓縮效果，通過(guò)應(yīng)力與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算可知，平均垂向靈敏度為31.4pm/N。其余幾個(gè)FBG與其對(duì)稱位置的FBG的測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，不再贅述。由圖4b中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與垂向?qū)嶒?yàn)效果相反，F(xiàn)BG3和FBG7基本沒(méi)有響應(yīng)，只是有微弱波動(dòng)，相反，F(xiàn)BG1和FBG5隨著施力的增大而增大，并且呈線性變化關(guān)系。同時(shí)，兩個(gè)FBG的波長(zhǎng)變化方向是相反的，同樣其也滿足一個(gè)拉伸一個(gè)壓縮的等效關(guān)系，通過(guò)應(yīng)力與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算可知，平均水平靈敏度為29.9pm/N。

4.2 滑動(dòng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變夾持力使被加持物達(dá)到接近臨界夾持狀態(tài)，然后進(jìn)一步增加施力大小，使被夾物體產(chǎn)生滑動(dòng)，然后對(duì)這個(gè)過(guò)程的光譜回波情況進(jìn)行記錄與分析，從超過(guò)臨界值后到完全掉落出夾具的整個(gè)過(guò)程約為0.5s，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)測(cè)試曲線如圖5所示。

Fig.5 Trend of wavelength shift during sliding

當(dāng)被夾持物在感知位置上不發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，施力與摩擦力可以抵消，這樣中心波長(zhǎng)即使因?yàn)閼?yīng)變產(chǎn)生偏移，但穩(wěn)定后,波長(zhǎng)將不再變化，中心波長(zhǎng)也基本不變化。當(dāng)被夾持物在感知位置上發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，感知模塊會(huì)受到一個(gè)明顯變化的剪切力作用，故中心波長(zhǎng)會(huì)隨之產(chǎn)生偏移。由此可見(jiàn)，完全可以通過(guò)系統(tǒng)光譜分布的測(cè)試數(shù)據(jù)分辨出被加持物體是否產(chǎn)生滑動(dòng)，從而為夾持機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支撐的。

5 結(jié) 論

針對(duì)自動(dòng)抓取、裝配等過(guò)程可能出現(xiàn)的抓力過(guò)大損壞產(chǎn)品或抓力過(guò)小滑落的問(wèn)題，提出了一種基于正交光纖光柵陣列的負(fù)載感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用FBG陣列完成對(duì)夾具的應(yīng)力場(chǎng)分布獲取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載夾持狀態(tài)的感知，為抓取、裝配等提供校正反饋信息。實(shí)驗(yàn)顯示，系統(tǒng)具有很好的應(yīng)力方向識(shí)別性，靈敏度高且符合線性變換要求。該系統(tǒng)在自動(dòng)生產(chǎn)線等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。