本發(fā)明涉及微納測量，具體涉及一種基于fbg雙絞傳感結構的仿生皮膚扭轉彎曲測量系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、皮膚是人體中最大的感覺器官，在塑造人類與世界的互動中起著至關重要的作用，是人體與周圍環(huán)境互動的物理屏障。模仿人體皮膚的這種特性和能力的人造皮膚通常稱為智能皮膚或電子皮膚。

2、近年來，從機器人到醫(yī)療保健等各種應用的智能皮膚引起了巨大的工業(yè)興趣，創(chuàng)造具有類似人類感官能力的智能皮膚，提供與人類有機體等價的感官感知水平，賦予機器人和假肢“觸覺”傳感能力、擴展高度互動的任務應用范圍、完成目前無法完成的各種任務，提供持續(xù)的健康監(jiān)測技術以及前所未有的即時診斷和和監(jiān)測能力。

3、理想的智能皮膚系統(tǒng)需要完全模擬人體皮膚的多感官功能，具備在大面積上測量各種復雜感覺的能力。首先，皮膚最重要的功能即完成各種復雜的機械觸覺傳感模態(tài)，其中包括用于本體感覺的拉伸應變傳感、用于抓地力優(yōu)化的法向力傳感、用于滑動檢測和紋理分析的振動傳感、用于軟機器人感測皮膚變形的彎曲和扭轉傳感、以及用于機器人動作方向檢測控制的多維力矢量傳感等。雖然人體皮膚非常直觀，但不能忽視人體內這種最大感覺器官的復雜性，開發(fā)解決人體皮膚所有特性的智能傳感器仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

4、然而，在目前的研究報道中關于法向壓力和應變傳感的智能皮膚的報告相對較多，其他感官能力如：滑移相關的切向力以及力矢量傳感、彎曲的報道較少，尤其是與扭轉的傳感測量的報道則更為少見，而這些傳感功能對于物體操作和姿態(tài)識別等能力至關重要，應在未來進一步研究和發(fā)展。

5、中國專利文獻cn?117268441?a公開了一種基于fbg和柔性皮膚結構的多維力矢量傳感測量系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括：傳感模塊、光學感測模塊、解調光路模塊、信號調理模塊、控制模塊、力矢量輸出模塊以及位移驅動模塊；傳感模塊包括柔性皮膚結構和測量fbg傳感器。光學感測模塊包括ase寬帶光源和第一耦合器。解調光路模塊包括第二耦合器、解調光柵、光電探測器和pzt壓電陶瓷臺。力矢量輸出模塊包括三維精密微動臺、壓盤和壓力傳感器。本發(fā)明能夠實現利用柔性皮膚結構同時對法向力和多向剪切力進行測量并將其解耦的目的，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是，傳感模塊中的fbg傳感器采用傳統(tǒng)的直線式結構，僅可用于法向力和多向剪切力的測量及解耦，無法對信號差分處理進行優(yōu)化，且容易受到共模干擾噪聲影響，信噪比和測量精度較低。

6、中國專利文獻cn?117213536?a公開了一種fbg柔性皮膚全向彎曲矢量與法向力傳感系統(tǒng)及其解耦方法。該系統(tǒng)包括傳感模塊、光路模塊、信號處理模塊和控制模塊；傳感模塊包括三個智能皮膚陣列單元；智能皮膚陣列單元包括皮膚層和設置在皮膚層中的測量fbg傳感器；測量fbg傳感器包括呈十字形錯層排布在皮膚層中的第一fbg傳感器與第二fbg傳感器；光路模塊包括寬帶光源和第一耦合器。信號轉換模塊包括第二耦合器、解調fbg傳感器、光電探測器和信號處理電路。本發(fā)明能夠解決現有技術中的不足，實現全向彎曲矢量與法向力測量與解耦，并且獲得較高分辨力、較好重復性、較高靈敏度以及較好穩(wěn)定性的測量性能。該技術方案只能進行全向彎曲矢量與法向力的測量及解耦，無法滿足復雜仿生皮膚傳感的多模態(tài)測量需求。而且由于fbg傳感器的傳統(tǒng)設計限制，該方案采用的十字形錯層排列的fbg傳感器陣列在大變形條件下的性能受到限制，尤其在超過2％的應變范圍時，測量精度和穩(wěn)定性下降嚴重。

7、因此，亟需實現一種基于fbg雙絞傳感結構的仿生皮膚扭轉彎曲測量系統(tǒng)及方法。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于fbg雙絞傳感結構的仿生皮膚扭轉彎曲測量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法能夠解決現有技術中的不足，可靠地獲得隨扭轉和彎曲變化的光功率電壓信號，再通過數學函數模型將此信號還原為施加在仿生皮膚結構傳感器上的扭轉角和彎曲角度位移量，實現雙絞傳感結構仿生皮膚的扭轉彎曲測量。

2、為實現上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

3、本發(fā)明包括一種基于fbg雙絞傳感結構的仿生皮膚扭轉彎曲測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感模塊、光路檢測模塊、光路解調模塊、信號處理模塊、上位機模塊和微驅動模塊。

4、作為上述技術方案的進一步改進，所述傳感模塊包括柔性圓柱體和放置在所述柔性圓柱體上的仿生皮膚結構傳感器；所述仿生皮膚結構傳感器包括仿生皮膚結構和嵌入設置在所述仿生皮膚結構中的雙絞傳感結構；所述雙絞傳感結構包括支撐柱和呈螺旋狀交叉纏繞在所述支撐柱上的兩根測量fbg傳感器。兩根測量fbg傳感器分別為第一測量fbg傳感器和第二測量fbg傳感器。

5、作為上述技術方案的進一步改進，所述微驅動模塊，用于對所述傳感模塊中的仿生皮膚結構傳感器施加扭轉力和彎曲力；所述光路檢測模塊，用于向所述傳感模塊中的仿生皮膚結構傳感器傳輸激光；所述傳感模塊中的仿生皮膚結構傳感器，用于將接收到的激光反射傳輸至光路解調模塊，并在受到扭轉力或彎曲力時產生彈性變形，使反射的光信號發(fā)生波長偏移；所述光路解調模塊，用于將傳感模塊反射光的波長變化轉化為電信號；所述信號處理模塊，用于對光路解調模塊輸出的電信號進行處理，并將處理后的數據傳輸至上位機模塊；所述上位機模塊，用于根據接收到的數據，建立電壓與扭轉角、電壓與彎曲位移的關系曲線，以確定傳感模塊的扭轉角度及俯仰彎曲位移大小。

6、作為上述技術方案的進一步改進，所述光路檢測模塊包括ase寬帶光源和第一環(huán)形器；所述第一環(huán)形器的輸入端與所述ase寬帶光源相連，所述第一環(huán)形器的輸出端與所述測量fbg傳感器相連。

7、作為上述技術方案的進一步改進，所述光路解調模塊包括匹配光纖光柵、第二環(huán)形器、光電探測器、壓電陶瓷和壓電陶瓷驅動器；所述第二環(huán)形器的輸入端與所述第一環(huán)形器的反射端相連，所述第二環(huán)形器的輸出端連接至所述匹配光纖光柵，所述第二環(huán)形器的反射端與所述光電探測器的輸入端相連；所述壓電陶瓷驅動器的輸出端與所述壓電陶瓷的輸入端相連，所述匹配光纖光柵固定在所述壓電陶瓷上；所述光電探測器的輸出端連接至所述信號處理模塊；所述信號處理模塊的輸出端與所述上位機模塊的輸入端相連；所述上位機模塊的輸出端與所述壓電陶瓷驅動器的輸入端相連。

8、作為上述技術方案的進一步改進，所述微驅動模塊包括步進電機和步進電機驅動器；所述步進電機驅動器的輸入端與上位機模塊相連，所述步進電機驅動器的輸出端與所述步進電機的輸入端相連。

9、作為上述技術方案的進一步改進，所述仿生皮膚結構采用ecoflextm00-30硅橡膠制備而成；兩根測量fbg傳感器采用雙絞dna鏈形狀纏繞在所述支撐柱上形成雙絞傳感結構，所述雙絞傳感結構嵌入在仿生皮膚結構中，形成仿生皮膚傳感器。

10、作為上述技術方案的進一步改進，所述光電探測器采用ingaas光電探測器。

11、作為上述技術方案的進一步改進，所述上位機模塊包括數據采集卡和計算機；所述信號處理模塊通過所述數據采集卡連接至所述計算機；所述壓電陶瓷驅動器的輸入端與所述計算機相連；所述步進電機驅動器的輸入端與所述計算機相連。

12、本發(fā)明還包括一種上述基于fbg雙絞傳感結構的仿生皮膚扭轉彎曲測量系統(tǒng)的測量方法，該方法包括以下步驟：

13、s1、微驅動模塊控制步進電機對仿生皮膚結構傳感器施加扭轉力和彎曲力，使測量fbg傳感器產生扭轉角度和彎曲位移量。

14、s2、ase寬帶光源發(fā)出的激光經第一環(huán)形器傳輸至測量fbg傳感器，測量fbg傳感器對激光反射后形成的第一反射光傳輸至第二環(huán)形器，并由第二環(huán)形器傳輸至匹配光纖光柵中，由匹配光纖光柵對第一反射光進行反射后形成的第二反射光通過匹配光纖光柵反射端進入到光電探測器中，光電探測器輸出光功率電壓信號并傳輸至信號處理模塊進行處理后通過數據采集卡傳輸至計算機中。

15、s3、計算機對接收到的光功率電壓信號進行處理，得到不同扭轉力作用下的電壓-扭轉角曲線和不同彎曲力作用下的電壓-彎曲位移曲線，根據電壓-扭轉角曲線和電壓-彎曲位移曲線，確定傳感模塊的扭轉角度及俯仰彎曲位移大小。

16、作為上述技術方案的進一步改進，所述光功率電壓信號與所述測量fbg傳感器(1)和所述匹配光纖光柵(6)的光譜重合部分面積成正比。

17、作為上述技術方案的進一步改進，所述步驟s3中，所述確定傳感模塊的扭轉角度及俯仰彎曲位移大小，采用以下公式實現：

18、

19、其中，u1、u2分別為第一測量fbg傳感器、第二測量fbg傳感器對應的輸出電壓；km1為第一測量fbg傳感器的扭轉角靈敏度系數，km2為第二測量fbg傳感器的扭轉角靈敏度系數；kb1、kb2分別為第一測量fbg傳感器、第二測量fbg傳感器的彎曲位移靈敏度系數；m代表施加的扭轉角度大??；b代表施加的彎曲位移量的大小。

20、和現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點為：

21、(1)本發(fā)明提出的基于fbg雙絞傳感結構的仿生皮膚扭轉彎曲測量系統(tǒng)及方法，通過將fbg傳感器嵌入仿生皮膚結構，實現了仿生皮膚結構的扭轉彎曲測量。與傳統(tǒng)的電類傳感器相比，fbg光纖光柵傳感器體積小，質量輕，能夠滿足仿生皮膚傳感的微型化、輕質化需求，同時傳感方式為光學光纖傳感，不易受電磁干擾影響，可以獲得更高的抗干擾性和精度性能。

22、(2)傳統(tǒng)的fbg傳感器設計通常是以直線排列的方式布置柵點，形成傳感網絡。然而，這種設計在測量大變形(超過2％)時存在局限性，因為fbg傳感器的測量范圍通常限制在8000至10000微應變以內。本發(fā)明創(chuàng)新性地采用一種雙絞dna鏈結構的fbg傳感網絡，通過螺旋形的布置，減弱了傳感器對軸向應變的敏感度，從而擴展了其應變測量范圍。

23、(3)本發(fā)明提出的基于fbg雙絞傳感結構的兩根測量fbg傳感器輸出在扭轉測試下響應相反，具有顯著差分特性，與傳統(tǒng)的單光纖fbg傳感器相比，可以抵消共模干擾噪聲，從而提升信噪比和測量靈敏度。同時，該測量系統(tǒng)通過檢測雙fbg傳感信號的平均信號可以同步檢測彎曲量，實現仿生皮膚多模態(tài)參量的同步混合測量和解耦識別，大大提升了該仿生皮膚的模態(tài)測量多樣性和完整性，具有較大的實際應用價值。