[發明專利]一種用于測量結構角度的光纖角度傳感器

無效

• 申請號: 201110385197.1
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102499688A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 張小棟;張振海;賈丙輝;杜玉環
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: A61B5/103
• 分類號: A61B5/103;G01B11/26
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明涉及光學傳感器技術領域，具體為一種用于測量結構角度的光纖角度傳感器。

背景技術

外骨骼機器人是指附著在人體上幫助人們負重的自動機器。外骨骼機器人的一個重要特點就是其通過安裝在人體上的傳感器捕捉人體運動意圖或行為，并以此作為控制信號驅動控制外骨骼，使其能夠與使用者同步行走。目前世界上對外骨骼機器人研究走在前列的是日本筑波大學Cybernics研制的HybridAssistive?Leg(HAL)和美國加州大學克利分校機器人和人體工程實驗室研制出美軍“伯克利下肢骨骼”(Berkeley?lower?extremity?exoskeleton，BLEXE)。它們都是使用肌電傳感器作為捕捉人體運動意圖或行為的手段。雖然，這種肌電傳感器方式可以保證信號采集的實時性，但是在其實驗過程中發現肌電傳感器的最大缺點：1)在激烈運動下，容易脫落、移位；2)長時間運動后，人體出汗會影響傳感器測量；3)傳感器隨著人個體的不同，存在一定的差異；4)傳感器每次都要貼到人體表面，使用不方便；(5)信息量大而且復雜，易受干擾，從而使控制難度加大。

目前國內的外骨骼機器人對人體關節的信號提取還是采用傳統的電機碼盤，機械角度傳感器和力傳感器，比如，中科院合肥智能機械研究所的孫建和日本鹿爾島大學的余勇設計了一套基于CAN總線的人體下肢運動信息感知系統。該系統由電機碼盤、安裝在腿部的2個二維力傳感器和安裝在腳底的6個一維力傳感器組成，腿部力傳感器固定在人腿膝關節和踝關節上部，用于測量人體與外骨骼之間的接觸力；電機碼盤用于測量髖關節和膝關節的轉動角度，通過獲取人體下肢和機器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關節角度信息控制機器人外骨骼以實現對人體下肢運動的助力。但是由于力傳感器和電機碼盤安裝在外骨骼上，在實際使用過程中，外骨骼服與人體之間會發生錯動甚至磕碰，會導致信號測量出現誤差；另外采用這種安裝的機械傳感器無法保證使用者在處理突發事件時(比如突然停止行進)信號采集的實時性。

上述人體關節信號中，角度信號的測量是信號提取技術的關鍵。將光纖技術應用到時變結構的角度測量中是未來發展的一個方向。目前，已有的帶有切口的光纖傳感器結構還主要是采用鋸齒形連續切口，這種結構主要用于結構的變形曲率測量，其針對微區域結構曲率測量的精度較高，但是由于其調制區的設計方式，其調制區長度一般很小，僅僅在5mm以內，若是調制區長度過長，出射端信號將會非常微弱，無法實現測量目的。因此其用于過渡區較大的結構角度如人體的膝關節角度測量，其測量范圍將非常小，無法滿足要求。

發明內容

要解決的技術問題

為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種測量結構角度的光纖角度傳感器。

技術方案

本發明的技術方案為：

所述一種測量結構角度的光纖角度傳感器，其特征在于：包括特制光纖、固定到特制光纖入射端的光發射部件和固定到特制光纖出射端的光接收部件；光發射部件外徑小于特制光纖纖芯直徑，光接收部件外徑大于特制光纖纖芯直徑；在特制光纖上沿特制光纖軸線方向均勻開有N個矩形槽，N＞1，矩形槽垂直于特制光纖軸線，在矩形槽內表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形狀為圓冠形，矩形槽最大深度h的范圍為d₂-d₁＜h＜d₂/2，其中d₁為特制光纖纖芯直徑，d₂為特制光纖包層的外徑，矩形槽表面粗糙度要求為Ra≤0.05，相鄰矩形槽間距s₂的范圍為s₂＞5(h+d₁-d₂)；第1個矩形槽至第N個矩形槽之間的特制光纖形成光強調制區，光強調制區的軸向長度不大于5cm。

有益效果

本發明提出的一種測量結構角度的光纖角度傳感器，從光發射部件射出的光線全部入射到特制光纖的入射端面，當特制光纖隨著結構一并偏轉角度時，光線經過光強調制區的矩形槽時有一部分被吸光層吸收，而被吸收的光強大小隨結構角度減小而增大，這樣從光接收部分接收到的光強隨角度變化明顯，因此提高了傳感器的對結構角度的敏感度。而且在光強調制區中采用矩形槽，解決了現有三角形切口光纖調制區短的問題。

附圖說明

圖1：本發明的結構示意圖；

其中：1、光發射部件固定裝置；2、光發射部件；3、特制光纖纖芯；4、特制光纖包層；5、矩形槽；6、光接收部件固定裝置；7、光接收部件。

具體實施方式