![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构.pdf
《环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、文章编号2097-1842(2024)02-0398-11环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构王彦*,徐浩雨,汪俊亮,朱伟,蒋超(安徽工业大学电气与信息工程学院,马鞍山243000)摘要:为了提高柔性机器人抓握传感中掌心表面的重构精度,本文基于 COMSOL 仿真,在 436mm436mm2mm 聚丙烯板上,采用 7 只经聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装的光纤光栅(FBG)柔性传感器,选取环形布设的方式,在板末端中心与两角分别受力的情况下,使用光纤光栅解调仪采集实验中的传感器数据,并通过三次样条插值法进行连续化。设定数个平面 Y 与拟合圆环相交,计算过点函数获得三维曲面点集,实现了空间曲面的
2、拟合可视化显示。在曲面末端中心受力时,板末端位移最小相对误差为 0.549%,最大相对误差为 8.300%,最小绝对误差为 0.051cm,最大绝对误差为 1.255cm,板末端两角受力时,板面重构末端位移最小相对误差为 2.546,最大相对误差为 14.289,最小绝对误差为 0.005cm,最大绝对误差为 0.729cm。实验结果为柔性机器人掌心抓握传感提供了应用基础。关键词:曲率插值;曲面拟合;FBG;环形布设;曲率标定中图分类号:TP212.1文献标志码:Adoi:10.37188/CO.2023-0088Three-dimensionalsurfaceshapereconstruct
3、ionoffiberbragggratingsinaringarrangementWANGYan*,XUHao-yu,WANGJun-liang,ZHUWei,JIANGChao(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243000,China)*Corresponding author,E-mail:Abstract:Toimprovetheaccuracyofpalmsurfacereconstructioninflexiblerobotgraspsen
4、sing,wecon-ductaCOMSOLsimulationtoselectaringarrangementcomprisingof7fiberBragggrating(FBG)flexiblesensorspackagedwithpolydimethylsiloxane(PDMS)ona436mm436mm2mmpolypropyleneplate.As-sumingthatthecenterandtwocornerendsoftheplateweresubjectedtostress,respectively,wecollectedsensordatausingafibergratin
5、gdemodulationinstrumentduringtheexperiment.Thedatawascontinuouslyinterpolatedusingcubicsplineinterpolation.SeveralplanesYintersectedwiththefittingringwhichcreatedathree-dimensionalsurface.Wecalculatedthepointfunctiontoobtainthepointsetandachieveafittingvisu-aldisplayofthespatialsurface.Whenthecenter
6、oftheendofthesurfaceisunderstress,theplateexperi-encedaminimumrelativeerrorof0.549%inenddisplacement,withamaximumrelativeerrorof8.300%,theminimumabsoluteerrorof0.051cm,andamaximumabsoluteerrorof1.255cm.Whenbothcornersattheendoftheplateareunderstress,fortheenddisplacementoftheplatereconstruction,them
7、inimumrelat-iveerroris2.546%,andamaximumrelativeerroris14.289%,theminimumabsoluteerroris0.005cm,and收稿日期:2023-05-14;修订日期:2023-06-02基金项目:安徽省科技重大专项项目(No.201903a05020029)SupportedbytheScienceandTechnologyMajorProjectofAnhuiProvince(No.201903a05020029)第17卷第2期中国光学(中英文)Vol.17No.22024 年 3 月ChineseOpticsMar.
8、2024themaximumabsoluteerroris0.729cm.Theseexperimentalresultsprovideafoundationtoimplementpalmgripsensinginflexiblerobots.Keywords:curvatureinterpolation;surfacefitting;FBG;ringarrangement;curvaturecalibration1引言随着时代的进步,机器人技术已经成为促进各个领域发展的重点关注对象。相比传统刚性机器人存在的运动不灵活和延展性差等诸多问题,柔性机器人因其极大的自由度而具有很好的弯曲特性和可变形
9、性,被广泛应用于救灾救援、医疗手术、核电站工作和管道焊接等领域,是当前机器人领域最重要的前沿技术之一。其中形状检测系统是柔性机械臂中高精度姿态控制的前提保障。形状传感器分为非接触式形状传感器感知和接触式的形状感知。非接触式传感器包括红外线传感器、激光雷达等1,此类传感器不需要与物体有直接的物理接触,通过电磁波、光学等方式与被测物体进行作用,因此存在测量精度较低、受环境干扰较大和工作稳定性要求高等问题。接触式传感器包括应变计、压力传感器和光纤光栅传感器等,此类传感器拥有精准度高、测量范围广和可靠性强等优势,其中光纤光栅传感器凭借体积小、测量使用过程中不需要接通电源、灵敏度高和响应速度快等特点2,
10、在柔性机器人形状感知领域具有广泛的应用前景。曲道明3等人利用光纤光栅传感器的应力敏感特性,解决了变形机翼柔性蒙皮形状实时监测问题,检测灵敏度可达 28.07pm/m1。郭永兴4等人基于应力曲率的关系,提出了一种基于光纤光栅的接触式扑翼动态变形测量方法,为提高扑翼机飞行性能提供了科学依据。此外,对于不同的工作环境,选取合适的光纤光栅传感器布设方式也有利于提高检测精度。王文娟5等人在机翼待测面上下两侧共固定 18 只光纤光栅传感器,针对变弯度机翼后缘开展变形测试,提出了光纤应变-变形算法、曲率重构算法,变形测试误差小于5%;郭永兴6等人采用交叉直线网格状 FBG 布设方式,提出了一种基于双层正交光
11、纤布拉格光栅的柔性传感器,有 32 个 FBG 测点,可实现三维形状测量,复杂曲面的曲率测量误差仅为 2.8%4.5%。王永祥7等人针对耙吸式挖泥船耙管姿态监测问题,将各带有 4 个测点的 4 根准分布式FBG 传感器布设在镍钛记忆合金丝上,并把记忆合金安装于被测软管的 4 个方向上,实现了对耙管的曲率数据检测,实际弯曲角度与测量角度误差仅为 3%。可见,对于不同的应用环境,合适的FBG 布设方式也可以提高重构精度,但是大量使用传感器存在叠加误差和成本较高的问题。为了提高柔性机器人掌心表面抓握传感检测精度,本文采用 7 只 FBG 环形布设的方式,使用三次样条插值法进行曲率连续化,过平面 Y
12、与拟合圆环的交点作线,获得三维曲面点集,实现空间曲面的拟合可视化显示,为柔性机器人掌心抓握传感提供了基础。2光纤光栅传感器原理2.1曲率测量原理FBG 在发生形变时,其光栅周期会产生变化,由传感理论公式知:B=2neff,(1)Bneff式中:为 FBG 的中心波长;为有效折射率;为光栅周期。FBG 传感器在形变 的作用下被压缩或者拉伸,会使得 FBG 的光栅周期产生变化,从而导致 FBG 的中心波长产生偏移。因为实验室长期处于恒温状态,故假设周遭环境温度稳定不变,这种情况下,中心波长的偏移量与应变存在以下关系:=B(1P),(2)P式中:为有效弹光系数,通常取 0.22。假设FBG 符合理想
13、变形条件,且形变程度在 FBG 能够测量的范围内,曲面弯曲的内侧在压缩作用下变短,外侧则由于拉伸作用变长,在变短与变长的两个区域相交处,有一条纤维层的长度始终不变的,即应变中性层8。柔性弯曲形变如图 1 所示。R LL图中弯曲虚线为中性层,曲率半径为,为微元长度,为结构微元长度的变化量,表示形变部分圆弧所对应的圆心角。有:L=R.(3)第2期王彦,等:环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构399hL+LLLRL图1微元示意图Fig.1Schematicdiagramofmicroelement在弯曲的状态下,FBG 传感器测量位置存在以下关系:LL=(Rh/2),(4)L+L=(R+h/2)
14、,(5)=L/L.(6)k令 为弯曲曲率,解方程组得:k=1/R=2/h,(7)h式中:为柔性传感器厚度。由上述公式可以求得曲率和中心波长偏移量满足以下关系:k=BB(1P)h,(8)PhBkBBk式中、和皆为常量,所以曲率 与中心波长偏移量呈线性关系,测得便能计算出9。2.2曲率标定实验采用的 7 只 FBG 传感器中心波长分别为 1542.96、1550.96、1557.01、1560.02、1548.89、1553.77、1557.94nm,图 2 是 FBG 柔性传感器标定设备,在恒定室温(24C)下,使用 PDMS 将传感器包覆后贴合固定在直尺上并放置于 XYZ 位移平台上,旋转旋钮
15、使平台向内侧移动,测得圆弧弦长分别为 0.2226、0.2162、0.2078 和 0.2003m,使用 MOISI155 解调仪测量中心波长,结果如图 3(彩图见期刊电子版)所示,解调仪分辨率为0.1pm,精度为 1pm,采样频率为 1000Hz,解调仪共有 4 个平行光学通道,解调的波长范围为14601620nm。图2曲率标定图Fig.2Curvaturecalibrationdiagram得到中心波长在无外力作用下的初值与在外力作用下的当前值,作差可得中心波长偏移量。在固定弧长条件下,不同弦长对应着不同曲率,公式如下:R=1+l2RsinC2RlCsinC2RR,(9)ClRR1R1R2
16、R2式中:为固定弧长,为弦长。设定 的初始值为,将带入式(9)可得新的数值,再将带入式(9)计算,循环往复,便可迭代出对应弦长下的曲率半径,迭代原理如图 4(彩图见期刊电子版)所示。10203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB5010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB50601
17、 5401 5411 5421 543Central wavelength/nm(a)FBG1 中心波长(a)FBG1 central wavelength(b)FBG2 中心波长(b)FBG2 central wavelength(c)FBG3 中心波长(c)FBG3 center wavelength(d)FBG4 中心波长(d)FBG4 central wavelength(e)FBG5 中心波长(e)FBG5 center wavelength(f)FBG6 中心波长(f)FBG6 center wavelength(g)FBG7 中心波长(g)FBG7 central wavelen
18、gth03.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.11 5441 5451 5461 5541 5551 5561 557Central wavelength/nm1 5581 5591 5601 5461 5471 5481 549Central wavelength/nm1 5501 5511 5521 5561 5571 5581 559Central wavelength/nm1 5601 5611 5621 5481 5491 5501 551Cen
19、tral wavelength/nm1 5521 5531 5541 551 1 552 1 553 1 554Central wavelength/nm1 555 1 5561 5581 5571 5561 5571 5581 559Central wavelength/nm1 5601 5611 5621 5631 564400中国光学(中英文)第17卷10203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB5060
20、10203040Light intensity/dB5010203040Light intensity/dB506010203040Light intensity/dB50601 5401 5411 5421 543Central wavelength/nm(a)FBG1 中心波长(a)FBG1 central wavelength(b)FBG2 中心波长(b)FBG2 central wavelength(c)FBG3 中心波长(c)FBG3 center wavelength(d)FBG4 中心波长(d)FBG4 central wavelength(e)FBG5 中心波长(e)FBG5
21、center wavelength(f)FBG6 中心波长(f)FBG6 center wavelength(g)FBG7 中心波长(g)FBG7 central wavelength03.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.103.65.16.68.11 5441 5451 5461 5541 5551 5561 557Central wavelength/nm1 5581 5591 5601 5461 5471 5481 549Central wavelength/nm1 550
22、1 5511 5521 5561 5571 5581 559Central wavelength/nm1 5601 5611 5621 5481 5491 5501 551Central wavelength/nm1 5521 5531 5541 551 1 552 1 553 1 554Central wavelength/nm1 555 1 5561 5581 5571 5561 5571 5581 559Central wavelength/nm1 5601 5611 5621 5631 564图3传感器 17 在不同曲率下的中心波长偏移量Fig.3Centerwavelengthoff
23、setsofsensors17underdifferentcurvatures10505123456图4递推迭代逻辑图Fig.4Recursiveiterativelogicdiagram7 个 FBG 传感器曲率标定拟合结果如图 5(彩图见期刊电子版)所示。00100200300Central wavelength shift/pm40050060012345Curvature/m1R2=ESS/TSS=1RSS/TSSFBG1 y=30.84x+1.26 R12=0.996 7FBG2 y=41.86x+0.45 R22=0.999 1FBG3 y=52.33x+3.75 R32=0.99
24、8 7FBG4 y=48.62x+2.27 R42=0.998 9FBG5 y=27.53x+1.87 R52=0.997 1FBG6 y=33.55x+2.64 R62=0.998 0FBG7 y=68.54x1.57 R72=0.998 4678910图5曲率标定Fig.5Curvaturecalibration第2期王彦,等:环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构4013有限元仿真本次实验采用 COMSOL 多物理场仿真软件进行仿真实验10。在 COMSOL 软件中选择物理场固体力学稳态研究模式进行求解。设置聚丙烯板的尺寸为 436mm436mm2mm,在塑料板上端 40mm 处进行固
25、定约束,在下端设置边界载荷,负载大小不同,形变程度也不同。接着,进行网格划分。仿真结果如图 6(彩图见期刊电子版)所示。zxy6.661062.19109200100101000100200表面:von Mises 应力/(Nm2)mmmmmm01002002107图6实验平台受力弯曲时的受力分布图Fig.6Forcedistributiondiagramofbendingexperimentalplatform由图 6 受力分布情况可知,板状几何体从上端到下端的受力数据以阶梯形式变化。在放置FBG 时,为了满足上述受力情况并考虑到实际应用场合,采用环状布置。圆环半径为 198.0mm,FBG
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 环形 布设 光纤 布拉格 光栅 三维 曲面 形状
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。