光纤滑觉传感系统螺纹接头

光纤滑觉传感系统

光纤滑觉传感系统 2011年12月10日 来源： 1　引言　　滑觉传感器是智能机器人手腕握持面内检测握持物体滑动的传感器。它能检测滑动的大小和 方向。能检测任一方向滑动者称为全方位传感器。智能机器人或机械夹具作业手在举起物体、交换握持物体或作加速或减速运动时，物体由于握力不足而产生滑动。为了使物体不在手腕内移动，且能安全、正确地工作，滑觉的检测十分重要。　　目前，将光纤传感器用于机器人机械手上的有关研究主要是光纤压觉或力觉传感器和光纤触 觉传感器，如Autal K. Bejczy所提出的光纤触觉传感器〔1〕。有关滑觉传感器的研究仍限于滚轴电编码式和滑球电编码式传感器〔2〕 。本文采用光纤滑觉传感原理来实现滑觉的检测。由于光纤传感器具有体积小、不受电磁干扰、本质上防燃防爆等优点，因而在机械手作业过程中，可靠性较高。2　光纤滑觉传感方案　　在光纤滑觉传感系统中，利用滑球的微小转动来进行切向滑觉的转换，在滑球中心嵌入一平 面反射镜。光纤探头由中心的发射光纤和对称布设的四根光信号接收光纤组成。　　来自发射光纤的出射光经平面镜反射后，被发射光纤周围的四根光纤所接收，形成同一光场的四象限光探测，所接收的四象限光信号经前置放大后被送入信号处理系统。当传感器的滑球在有滑动趋势的物体作用下绕球心产生微小转动时，由此引起反射光场发生变化，导致四象限接收光纤所接收到的光信号受到调制，从而实现全方位光纤滑觉检测。系统如框图1所示。图1　光纤滑觉传感系统方框图3　传感器结构　　光纤滑觉传感器结构如图2所示。传感器壳体中开有一球冠形槽，可使滑球在其中滑动。滑 球的一小部分露出并与乳胶膜相接触，滑动物体通过乳胶膜与滑球发生相互作用。滑球中心平面与一个内嵌平面反射镜的刚性圆板固接，该圆板通过八个仪表弹簧与传感器壳体相连。构成了该滑觉传感器的弹性恢复系统。当物体具有滑动趋势时，滑球与物体接触点将会在X- Y平面产生一个小的位移δx和δy。设滑球的半径为r0，则有(1)图2　光纤滑觉传感器结构　　而球与物体之间的静摩擦力可近似表示为(2)式中k为弹簧的弹性系数，θx和θy为滑球绕球心的微小转角。有滑动趋势的物体与滑球的相互作用力及其滑动趋势的方向为(3)　　滑球绕球心的微小转角θx和θy通过对称式五光纤探头进行探测。探头结构如图3所示。中间的光纤为光源光纤，周围的四根为反射光信号接收光纤。光纤探头与平面反射镜的距离为l，四根接收光纤与光源光纤的间距为d。对于转角θx和θy很小的情况下，近似地有〔3〕(4)(5)(6)图3　光纤滑觉传感探头及其工作原理　　这里S(l,d)为光纤传感部分的灵敏度，式中a0为光纤芯半径，θc为所用光纤的最大出射角，ξ为一无量纲参数。由于光纤传感特性函数(4)、(5)采用了双探测光信号取比值的形式，故最终的探测信号与反射体的反射率无关、与光源强度无关。如果5光纤一起成缆，则所有光纤所处的环境温度及弯曲程度可视为相同。这样，双探测接收光纤的温度本征损耗及弯曲损耗也被进一步抵消了。因而这种光纤探头具有较好的自动补偿性能。4　光电转换与放大电路　　全光纤滑觉传感系统的光电转换放大电路被对称地设计成完全相同的四部分，其中的四分之 一如图4所示。光电探测器采用了硅PIN型光电二极管，其响应时间小于10-7秒。前置放大器的输入端是PIN光电二极管的输出，可视为光强调制的电流源，经高阻抗运算放大器的I/V转换后，给出与光强成正比的电压输出。由图可知，转换电阻R1越大，I/V转换效率越高，但是R1过大会使放大器产生自激。本系统中取R1=3MΩ，通过下一级比例放大器，将信号调至所须的范围内。运算放大器选用了LM7650高阻抗斩波稳零集成运算放大电路。为了实现超前校正，在R1上并联了电容C1。为保持LM7650的性能稳定，选用了漏电较小的涤纶外接电容C2，C3和C5，C6。

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