摘要
为提高生产效率，机器人经历了从无到有、从弱到强、从笨重到小巧的历史进程。伴随着科技的不断革新，机器人技术得到了前所未有的发展，在工业、服务业、交通和医疗等领域为人类带来了极大的便利。在危险的人类活动中，遥操作机器人能代替人类进行作业活动。特殊场合的需求对遥操作机器人传感技术的性能要求越来越高。传统的机器人末端操作器——机械手，大多是刚性材料制造，缺乏灵活性及柔顺性，极大限制了机械手的应用范围。因此，本文设计了一种基于流体驱动方式的柔性软体硅胶手，并针对这种结构提出了弯曲传感方案。一方面，柔性软体硅胶手具有优良的柔顺性、可连续变形，并且具有极高复用率；另一方面，基于光纤结构的弯曲传感技术具有高灵敏度的优点。本课题聚焦于软体硅胶手的弯曲传感技术研究，促进机器人在医疗系统中的应用。具体的研究工作如下： 针对软体硅胶手的弯曲测量设计了三种全光纤传感器。第一种为光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)弯曲传感器，利用深紫外固体激光器结合相位掩模法刻写不同波长的FBG；第二种为基于长周期光纤光栅级联光纤布拉格光栅(Cascadedlong-periodgratingandfiberBragggrating，CLBFG)结构的弯曲传感器，利用深紫外固体激光器刻写CLBFG，并对CLBFG的弯曲传感的性能进行测试，测得CLBFG传感器在曲率增大的过程中谐振峰的强度逐渐减小，其弯曲灵敏度大小为1.785dB/m-1；第三种为基于七芯光纤-双孔双芯光纤-七芯光纤干涉结构的弯曲传感器，通过CCD和光纤熔接机组合搭建微米级光纤加工平台制作该光纤结构，并在不同方向下进行弯曲传感的实验测试，发现其处于不同弯曲角度下的灵敏性不同，测得弯曲灵敏度最大值的大小为6.002nm/m-1。 在软体手设计方面，首先构建软体硅胶手的弯曲仿真模型，然后利用有限元分析软件对结构进行优化，通过对不同结构下的气压与形变量的关系，确定软体硅胶手的最优化尺寸。最后，利用3D画图软件设计软体硅胶手的模具及手掌模型。 利用浇筑法完成软体硅胶手的制造。搭建了软体硅胶手弯曲传感系统，验证了基于全光纤结构的软体硅胶手弯曲检测效果。结合图像处理的方法对曲率进行标定。分别对FBG贴于软体硅胶手表面和FBG嵌于软体硅胶手内部的不同位置的8根软体硅胶手反复进行多次弯曲传感特性分析，发现FBG嵌于软体硅胶手指外侧时弯曲灵敏度最高，该值为585pm/m-1。
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