基于正交光纖光柵陣列的負載感知系統研究

王 高，張梅菊，黃漫國，梁曉波，劉智超

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051; 2.中國航空工業集團公司 北京長城航空測控技術研究所 狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 100022; 3.長春理工大學 光電工程學院 光電測控技術研究所， 長春 130000)

引 言

生產線上有很多自動抓取、裝配設備，隨著國家工業化發展的深化，未來很多人工裝配過程也將會被機械取代[1]，而通過機械結構對物體抓取、裝配就會涉及抓握力、夾持力等的大小問題[2]，研究具有負載受力狀態感知的傳感系統，對于提高抓取、裝配過程穩定性具有重要意義。

在生產線中，傳統的自動抓取、裝配機械結構一般分為兩大類。一是通過路徑規劃完成對機械臂的控制，這種方法由機械臂運動路徑編程實現，通?？捎糜谧ト?、裝配、點焊等工藝流程中，比較簡單易行，但缺點是要求操作位置穩定、被操作物體相對簡單、結構復雜或步驟復雜都會使累計誤差大幅增加，從而導致報廢率增大。QI等人研究的優化A*路徑規劃算法，提高了機械臂路徑的穩定性，降低了機械磨損[3]。YOU等人研究的雙向快速擴散隨機樹算法可以實現9個自由度的控制，大大提升了基于路徑控制的復雜程度[4]。二是采用應變片對夾持位置應力監測，該方法的優點是應變片價格便宜、處理電路簡單，但缺點是標量測量，無法提供應力的指向性信息，同時易受電磁干擾對工況環境要求高[5-6]。LU等人[7]利用應變片采集機械結構應力分布，從而控制動態扭矩的測量，其可應用于抓握力、夾持力等力度大小的控制。SUMAYYAH等人[8]通過壓電陣列實現了4.0cm×4.0cm范圍的應力傳感，但由于電路復雜、價格高昂，很難廣泛使用。

基于光纖傳感[9]的反饋型控制系統是新型應力感知系統，由于其體積小、無電磁干擾等[10-12]優勢，在應力定向識別方面具有很好的應用前景。作者采用光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating,FBG)[13-18]傳感器陣列設計了一種負載感知模塊，并針對其靈敏度、穩定性進行了測試分析。

1 負載感知系統

負載感知系統由電腦、解調模塊、光纖及FBG陣列組成。解調模塊具有8路光纖接口，實驗中采用兩路，分別連接夾持結構中的兩根傳感光纖，再通過數據線將解調后的數據傳輸給電腦。FBG陣列擺布形式為4橫和4縱，分別對應圖1中的y軸和z軸，獲取夾持過程中在y軸和z軸方向上的應力值。利用解調模塊將回波波長信息解算成應力信息，從而反饋給電腦，通過電腦得算法分析完成對夾持狀態的分析。

Fig.1 Schematic diagram of load sensing system

2 感知陣列結構設計及解算方法

感知結構設計采用陣列排布結構形式如圖2a所

Fig.2 Design of sensing module

示，對于單個FBG而言，其受力分析如圖2b所示。

依據FBG的工作原理，溫度通過標定可理解為常數，即得到FBG僅與應力應變敏感的函數關系，則波長的改變量Δλ與應變ε的函數關系有:

Δλ=(1-p)ελ0

(1)

式中,λ0為初始波長，p為應力系數。

由圖1可知,x軸方向為厚度方向，也是施力方向，產生的摩擦力為z方向，設力的大小為F，感知模塊為正方形，故長度均為d，則FBG的應變量可表示為:

(2)

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

(3)

由于材料因受力的應變一般不會特別大，可近似看作α≈β，則:

Δd′=Δdcosβ

(4)

故應變可寫為:

(5)

應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，無論在哪個方向，產生最大偏轉角度都存在一組FBG對齊夾角不大于45°，這也是正交排布的原因。

3 參量優化仿真

為了在不改變系統尺寸、成本的基礎上提高感知模塊靈敏度，使系統達到最優狀態，利用MATLAB對不同幾個可調參量進行了分析計算。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。由于埋入深度對成本及體積基本沒有影響，是一個比較理想的調節參量。其次是對FBG的有效長度l進行仿真，由于其同樣也是不影響成本與體積的，但其會對空間分辨有影響，所以在仿真分析時，給它的調節區間是要結合夾持區域范圍設定的。仿真結果如圖3所示。

Fig.3 Parameter simulation of sensor module

圖3a中，FBG的長度是固定的，設置數值為10.0mm，然后對不同埋入深度進行分析，從仿真結果可知，不同位置處應變響應不同，同一位置處不同深度對形變的影響也不同，從3.0mm～7.0mm逐漸加深，靈敏度先是增強，后又減小，大約在5.0mm位置時達到最優值，從此可見，FBG埋入深度選取5.0mm可以獲得最優效果。

圖3b中，將FBG放置深度設置為5.0mm，然后對不同長度進行仿真分析，由結果可知，不同位置處應變響應不同，同一位置處不同FBG長度對形變的影響也不同，從2.0mm～10.0mm逐漸加長，靈敏度也逐漸增加，呈單調遞增趨勢，但由于FBG尺寸過大會導致感知模塊的空間分辨率降低，故尺寸選擇原則應是符合空間分辨率時的FBG最大值為宜。從此可見，在本系統中，當放置深度為5.0mm時，FBG長度選擇10.0mm最合適。

4 實 驗

實驗系統由寬帶光源、光隔離器、光耦合器、光纖光柵解調模塊(光譜分辨率為±0.5pm)、電腦及光纖光柵傳感陣列組成。負載感知模塊為兩個正對的5.0cm×5.0cm的橡膠塊，夾持重量范圍0kg～10kg。實驗過程中，逐漸增加負載上的重量，在被夾物體發生移動前，測試了不同施力條件下感知系統的響應能力。當重量進一步增大、物體產生移動時，又對狀態改變條件下的回波光譜變化進行了分析。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 感知精度實驗結果分析

根據圖2a的分布設計可知，雖然有8個傳感單元，但是對于中間位置而言，如果是對稱位置的話，那樣兩個對稱位置的FBG響應效果是相近的，故下面著重給出了在針對中心位置受力條件下FBG1,FBG3,FBG5和FBG7的波長變化，首先是左右不施力，而僅受重力遞增的條件(z軸方向)，實驗結果如圖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)，實驗結果如圖4b所示。

Fig.4 Variation of applied wavelength in different directions

由圖4a中的實驗結果可知，其中FBG1和FBG5基本沒有響應，只是有微弱波動，由其安排的位置可以發現，這兩個FBG的軸向位置與施力方向垂直，受力敏感度弱，相反，FBG3和FBG7隨著施力的增大而增大，并且基本成線性變化關系，這兩個FBG的軸向位置與施力方向平行。同時， 兩個FBG的波長變化方向是相反的，這是因為一個為拉伸效果一個為壓縮效果，通過應力與波長的函數關系計算可知，平均垂向靈敏度為31.4pm/N。其余幾個FBG與其對稱位置的FBG的測試數據基本一致，不再贅述。由圖4b中的實驗結果可知，與垂向實驗效果相反，FBG3和FBG7基本沒有響應，只是有微弱波動，相反，FBG1和FBG5隨著施力的增大而增大，并且呈線性變化關系。同時，兩個FBG的波長變化方向是相反的，同樣其也滿足一個拉伸一個壓縮的等效關系，通過應力與波長的函數關系計算可知，平均水平靈敏度為29.9pm/N。

4.2 滑動測試

實驗中通過改變夾持力使被加持物達到接近臨界夾持狀態，然后進一步增加施力大小，使被夾物體產生滑動，然后對這個過程的光譜回波情況進行記錄與分析，從超過臨界值后到完全掉落出夾具的整個過程約為0.5s，對應的波長測試曲線如圖5所示。

Fig.5 Trend of wavelength shift during sliding

當被夾持物在感知位置上不發生滑動時，施力與摩擦力可以抵消，這樣中心波長即使因為應變產生偏移，但穩定后,波長將不再變化，中心波長也基本不變化。當被夾持物在感知位置上發生滑動時，感知模塊會受到一個明顯變化的剪切力作用，故中心波長會隨之產生偏移。由此可見，完全可以通過系統光譜分布的測試數據分辨出被加持物體是否產生滑動，從而為夾持機構提供數據支撐的。

5 結 論

針對自動抓取、裝配等過程可能出現的抓力過大損壞產品或抓力過小滑落的問題，提出了一種基于正交光纖光柵陣列的負載感知系統。該系統利用FBG陣列完成對夾具的應力場分布獲取，從而實現對負載夾持狀態的感知，為抓取、裝配等提供校正反饋信息。實驗顯示，系統具有很好的應力方向識別性，靈敏度高且符合線性變換要求。該系統在自動生產線等領域具有很好的應用價值。