基于柔性光波导的姿态传感器及机器人

1.本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于柔性光波导的姿态传感器及机器人。


背景技术：

2.对于自身姿态的感知是人类在环境中移动的重要前提，尤其是以重力为参考方向的绝对姿态感知。获取自身在空间中的姿态对于机器人(例如移动机器人、机械臂)来说具有同样重要的意义。当前对于机器人的姿态感知往往采用陀螺仪技术，通过对于角速度的积分来得到姿态。这样的姿态感知方式，使得角速度测量中的误差也不断积累，最终将可能导致姿态的偏差。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对机器人由于采用陀螺仪技术而导致姿态感知存有偏差的问题，提供一种基于柔性光波导的姿态传感器及机器人。
4.一种基于柔性光波导的姿态传感器，所述姿态传感器包括：光波导、机架及重物；
5.所述光波导设置在所述机架上，所述重物可沿预设方向滑动地设置在所述机架上，所述重物还与所述光波导的包层的表面相连并与所述光波导的内芯相对应，其中所述预设方向与所述内芯的轴线相垂直并与所述包层的表面相平行。
6.上述姿态传感器，重物只能沿预设方向滑动地设置在机架上，这使得光波导可通过重物的重力分量来实现绝对姿态的感知，与依靠角速度积分实现姿态感知的陀螺仪相比，感知的为绝对姿态，无积分过程及其带来的累计误差问题；由于重物的滑动方向与内芯的轴线相垂直并与包层的表面相平行，这使得光波导的输出与姿态角的正弦值具有良好的线性关系，在使用中具有方便性，也保证了检测的灵敏性；采用柔性材料作为敏感单元(即光波导)，即使在微小的力作用下也具有较大的形变，相当于对力具有放大效果，这使得姿态传感器具有很高的灵敏度；光波导具有鲁棒性，作为敏感单元的光波导不仅能够抵抗过载载荷，同时还具有一定的减震缓冲作用，这种鲁棒性将增强姿态传感器在使用中的易用性。
7.在其中一个实施例中，所述光波导的内芯的数目为1个，所述光波导的内芯的形状为直线形。
8.在其中一个实施例中，所述机架上设置有滑轨，且所述滑轨上设置有可沿所述预设方向滑动的滑块，所述滑块与所述重物连接。
9.在其中一个实施例中，所述姿态传感器还包括第一安装件，所述第一安装件连接于所述滑块和所述重物之间。
10.在其中一个实施例中，所述姿态传感器还包括传力件，所述传力件连接于所述重物与所述光波导的包层之间，所述传力件与所述光波导的内芯相对应，所述传力件中靠近所述光波导的侧面面积小于所述重物中靠近所述光波导的侧面面积。
11.在其中一个实施例中，所述姿态传感器还包括第二安装件，所述第二安装件连接于所述传力件和所述重物之间。
12.在其中一个实施例中，所述机架包括：底座、安装座及将所述安装座支撑于所述底座上方的立柱；
13.所述光波导设置在所述底座上，所述重物可滑动地设置在所述安装座上。
14.在其中一个实施例中，所述安装座能够沿所述立柱上下滑动。
15.在其中一个实施例中，所述立柱为螺杆，所述机架还包括与所述立柱螺纹连接的螺母，所述螺母用于将所述安装座锁定于任一高度处。
16.一种机器人，所述机器人包括如上述任一项所述的基于柔性光波导的姿态传感器。
17.上述机器人，姿态传感器的重物只能沿预设方向滑动地设置在机架上，这使得光波导可通过重物的重力分量来实现绝对姿态的感知，与依靠角速度积分实现姿态感知的陀螺仪相比，感知的为绝对姿态，无积分过程及其带来的累计误差问题；由于重物的滑动方向与内芯的轴线相垂直并与包层的表面相平行，这使得光波导的输出与姿态角的正弦值具有良好的线性关系，在使用中具有方便性，也保证了检测的灵敏性；采用柔性材料作为敏感单元(即光波导)，即使在微小的力作用下也具有较大的形变，相当于对力具有放大效果，这使得姿态传感器具有很高的灵敏度；光波导具有鲁棒性，作为敏感单元的光波导不仅能够抵抗过载载荷，同时还具有一定的减震缓冲作用，这种鲁棒性将增强姿态传感器在使用中的易用性。
附图说明
18.图1为本发明一实施例提供的基于柔性光波导的姿态传感器的结构示意图；
19.图2为本发明一实施例提供的基于柔性光波导的姿态传感器的工作原理示意图；
20.图3为本发明一实施例提供的基于柔性光波导的姿态传感器的光损信号强度与斜面夹角的正弦值之间的关系示意图。
21.其中，附图中的标号说明如下：
22.10、姿态传感器；100、光波导；200、机架；210、底座；220、安装座；230、立柱；300、重物；400、滑轨；500、滑块；600、第一安装件；700、传力件；800、第二安装件；20、斜面。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
26.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
28.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
29.对于自身姿态的感知是人类在环境中移动的重要前提，尤其是以重力为参考方向的绝对姿态感知。获取自身在空间中的姿态对于机器人(例如移动机器人、机械臂)来说具有同样重要的意义。当前对于机器人的姿态感知往往采用陀螺仪技术，通过对于角速度的积分来得到姿态。这样的姿态感知方式，使得角速度测量中的误差也不断积累，最终将可能导致姿态的偏差。
30.对此，本发明一实施例提供了一种基于柔性光波导的姿态传感器10，如图1所示，该基于柔性光波导的姿态传感器10包括：光波导100、机架200及重物300；光波导100设置在机架200上，重物300可沿预设方向滑动地设置在机架200上，重物300还与光波导100的包层的表面相连并与光波导100的内芯相对应，其中预设方向与光波导100的内芯的轴线相垂直并与光波导100的包层的表面相平行。
31.关于光波导100的结构，作为一种示例，光波导100包括：包层、内芯以及光电元件与电路；包层用于包裹内芯以及光电元件与电路，光电元件与电路包括发光二极管、光源供电电路、光电三极管、信号采集电路。其中，光波导100的包层、内芯均为折射率满足光波导全反射的柔性材质，其中光波导100的内芯材料的折射率高于光波导100的包层材料的折射率，举例来说，光波导100的包层的材质可以为硅橡胶，光波导100的内芯的材质可以为聚氨酯或聚丙烯酸酯。另外，内芯的形状为直线形，直线状的内芯不仅便于内芯的制造，而且也可更容易地满足光波导100的全反射要求。
32.上述光波导100的工作原理可描述为：光源供电电路为发光二极管供电，将电能转换为光能；发光二极管发出的原始光信号在内芯中传播，当有力刺激作用在内芯上时，内芯产生形变，使得内芯内的原始光信号发生衰减，变为有损光信号，该有损光信号被布置在内
芯末端的光电三极管探测到，有损光信号在此处转换为模拟电信号；信号采集电路捕捉到光电三极管所发送的模拟电信号，最后将该模拟电信号发送至外部设备(例如无线接收模块)，外部设备将其接收、记录并进行分析，通过线性插值、神经网络等运算，解码还原原本的力刺激信息。
33.其中，光波导100所感知姿态的维度与光波导100的内芯的数目有关，举例来说，若为了实现一维姿态的感知，即可以感受光波导100自身沿所定义的角度方向(即预设方向)发生的姿态改变，同时对空间中其他两个相垂直的方向的姿态改变不敏感，此时可以在光波导100内设置一个内芯，此时重物300可设置在内芯轴线的正上方位置，使得重物300带动光波导100移动时，最大位移可以被内芯检测到，提高光波导100的灵敏程度；若为了实现二维姿态的感知，可以在光波导100内设置2个内芯，且这2个内芯呈十字形交叉，对应地，重物300设置在两个内芯轴线的正上方位置且能够在平面内沿两个相垂直的预设方向进行滑动。当然了，也可以直接将两个能够实现一维姿态感知的光波导100垂直放置，以实现两维的姿态感知。下面便以光波导100内设置一条内芯为例，就姿态传感器10的工作原理及结构进行一一描述。
34.为了描述姿态传感器10对于姿态倾角的敏感程度，参见图2，将姿态传感器10固定在倾斜角度为θ的斜面20上。其中，姿态传感器10的工作原理可描述为：该姿态传感器10的光波导100作为敏感元件，能够对作用在其表面上变化的切向力(即图2中所示出的g
×
sinθ,g为重物300的重力)做出响应。而重物300的重力将随着姿态不同在光波导100表面产生变化的垂直于光波导100表面的分量(即图2中所示出的g
×
cosθ)以及平行于光波导100表面的分量(即图2中所示出的g
×
sinθ),其中由于重物300只能沿预设方向滑动地设置在机架200上，这使得作用在垂直于光波导100表面的分量保持恒定，而对于平行于光波导100表面的分量的部分则没有约束。那么当姿态传感器10由水平原位向沿所定义的角度方向姿态角逐渐增大时，重物300平行于光波导100表面的分力逐渐增大，光波导100的响应逐渐增大，且与该力的大小线性相关，即与姿态角成正弦增长的关系(参见图3)。需要说明的是，图3中的“去程”是指斜面的倾斜角度θ由0
°
逐渐增大到90
°
，“回程”是指斜面的倾斜角度θ由90
°
逐渐减小至0
°
。
35.如上所述的基于柔性光波导的姿态传感器10，重物300只能沿预设方向滑动地设置在机架200上，这使得光波导100可通过重物300的重力分量来实现绝对姿态的感知，与依靠角速度积分实现姿态感知的陀螺仪相比，感知的为绝对姿态，无积分过程及其带来的累计误差问题；由于重物300的滑动方向与内芯的轴线相垂直并与包层的表面相平行，这使得光波导100的输出与姿态角的正弦值具有良好的线性关系，在使用中具有方便性，也保证了检测的灵敏性；采用柔性材料作为敏感单元(即光波导100)，即使在微小的力作用下也具有较大的形变，相当于对力具有放大效果，这使得姿态传感器10具有很高的灵敏度；光波导100具有鲁棒性，作为敏感单元的光波导100不仅能够抵抗过载载荷，同时还具有一定的减震缓冲作用，这种鲁棒性将增强姿态传感器10在使用中的易用性。
36.如图1所示，在本发明的一些实施例中，机架200上设置有滑轨400，且滑轨400上设置有可沿预设方向滑动的滑块500，滑块500与重物300连接。通过滑轨400与滑块500的配合，便可以实现重物300只能沿预设方向进行滑动，且也可以简化姿态传感器10的结构。
37.关于滑块500与滑轨400如何配合，作为一种示例，滑轨400的横截面形状为t字形，
滑块500上设置有t字形的滑动槽，滑轨400插入至滑块500的滑动槽中以使滑块500沿自身进行滑动。
38.可选地，滑轨400可采用焊接、螺纹连接、卡扣连接等方式设置在机架200上。
39.进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，姿态传感器10还包括第一安装件600，第一安装件600连接于滑块500和重物300之间。第一安装件600便于滑块500与重物300的连接。
40.可选地，第一安装件600可以为塑料件，可采用增材制造的方式进行生产、加工。第一安装件600可以采用螺钉、粘接、卡扣等方式安装在滑块500上，第一安装件600可采用粘接、螺钉、过盈配合等方式与重物300相连，其中，重物300可以为金属块。
41.如图1所示，在本发明的一些实施例中，姿态传感器10还包括传力件700，传力件700连接于重物300与光波导100的包层之间，传力件700与光波导100的内芯相对应，传力件700中靠近光波导100的侧面面积小于重物300中靠近光波导100的侧面面积。需要说明的是，传力件700中靠近光波导100的侧面是指传力件700中直接与光波导100的包层接触的侧面；若重物300与光波导100的包层之间不设置传力件700，则重物300中靠近光波导100的侧面直接与光波导100的包层接触。在重物300与光波导100之间设置尺寸较小的传力件700，可以将重物300的重量尽量集中的作用在光波导100上，这样可以增大光波导100的敏感性。
42.关于传力件700的连接方式，作为一种方式，传力件700可以采用粘接、螺钉、过盈配合等方式与光波导100的包层表面连接。
43.进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，姿态传感器10还包括第二安装件800，第二安装件800连接于传力件700和重物300之间。第二安装件800便于传力件700和重物300的连接。
44.可选地，第二安装件800可以为塑料件，可采用增材制造方式进行加工，可以采用粘接、螺钉、过盈配合等方式与传力件700、重物300相连。
45.如图1所示，在本发明的一些实施例中，机架200包括：底座210、安装座220及将安装座220支撑于底座210上方的立柱230；光波导100设置在底座210上，重物300可滑动地设置在安装座220上。该类结构的机架200，结构简单，便于生产制造。作为一种示例，滑轨400设置在安装座220上。
46.关于立柱230的数目，作为一种示例，可以设置为4个，每个立柱230设置在底座210与安装座220的角部之间。
47.进一步地，在本发明的一些实施例中，安装座220能够沿立柱230上下滑动。通过将安装座220上下移动可对重物300在光波导100表面上进行调平以及控制重物300对光波导100的初始预压力。
48.具体地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，立柱230为螺杆，机架200还包括与立柱230螺纹连接的螺母，螺母用于将安装座220锁定于任一高度处。可以理解的是，安装座220上设置有用于使立柱230穿设的通孔。作为一种示例，每个立柱230上设置有两个螺母，待安装座220到达预设高度时，利用这两个螺母与螺杆的配合，将安装座220夹紧，从而实现对安装座220的锁定。
49.本发明另一实施例提供了一种机器人，该机器人包括如上述任一项所述的姿态传感器10。
50.作为一种示例，上述机器人可以为移动式机器人、机械臂。
51.为了描述机器人的姿态传感器10对于姿态倾角的敏感程度，参见图2，将姿态传感器10固定在倾斜角度为θ的斜面20上。其中，姿态传感器10的工作原理可描述为：该姿态传感器10的光波导100作为敏感元件，能够对作用在其表面上变化的切向力(即图2中所示出的g
×
sinθ，g为重物300的重力)做出响应。而重物300的重力将随着姿态不同在光波导100表面产生变化的垂直于光波导100表面的分量(即图2中所示出的g
×
cosθ)以及平行于光波导100表面的分量(即图2中所示出的g
×
sinθ)，其中由于重物300只能沿预设方向滑动地设置在机架200上，这使得作用在垂直于光波导100表面的分量保持恒定，而对于平行于光波导100表面的分量的部分则没有约束。那么当姿态传感器10由水平原位向沿所定义的角度方向姿态角逐渐增大时，重物300平行于光波导100表面的分力逐渐增大，光波导100的响应逐渐增大，且与该力的大小线性相关，即与姿态角成正弦增长的关系(参见图3)。
52.如上所述的移动式机器人，姿态传感器10的重物300只能沿预设方向滑动地设置在机架200上，这使得光波导100可通过重物300的重力分量来实现绝对姿态的感知，与依靠角速度积分实现姿态感知的陀螺仪性比，感知的为绝对姿态，无积分过程及其带来的累计误差问题；由于重物300的滑动方向与内芯的轴线相垂直并与包层的表面相平行，这使得光波导100的输出与姿态角的正弦值具有良好的线性关系，在使用中具有方便性，也保证了检测的灵敏性；采用柔性材料作为敏感单元(即光波导100)，即使在微小的力作用下也具有较大的形变，相当于对力具有放大效果，这使得姿态传感器10具有很高的灵敏度；光波导100具有鲁棒性，作为敏感单元的光波导100不仅能够抵抗过载载荷，同时还具有一定的减震缓冲作用，这种鲁棒性将增强姿态传感器10在使用中的易用性。
53.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于柔性光波导的姿态传感器，其特征在于，所述姿态传感器(10)包括：光波导(100)、机架(200)及重物(300)；所述光波导(100)设置在所述机架(200)上，所述重物(300)可沿预设方向滑动地设置在所述机架(200)上，所述重物(300)还与所述光波导(100)的包层的表面相连并与所述光波导(100)的内芯相对应，所述预设方向与所述光波导(100)内芯的轴线相垂直并与所述光波导(100)包层的表面相平行。2.根据权利要求1所述的姿态传感器，其特征在于，所述光波导(100)的内芯的数目为1个，所述光波导(100)的内芯的形状为直线形。3.根据权利要求1所述的姿态传感器，其特征在于，所述机架(200)上设置有滑轨(400)，且所述滑轨(400)上设置有可沿所述预设方向滑动的滑块(500)，所述滑块(500)与所述重物(300)连接。4.根据权利要求3所述的姿态传感器，其特征在于，所述姿态传感器(10)还包括第一安装件(600)，所述第一安装件(600)连接于所述滑块(500)和所述重物(300)之间。5.根据权利要求1所述的姿态传感器，其特征在于，所述姿态传感器(10)还包括传力件(700)，所述传力件(700)连接于所述重物(300)与所述光波导(100)的包层之间，所述传力件(700)与所述光波导(100)的内芯相对应，所述传力件(700)中靠近所述光波导(100)的侧面面积小于所述重物(300)中靠近所述光波导(100)的侧面面积。6.根据权利要求5所述的姿态传感器，其特征在于，所述姿态传感器(10)还包括第二安装件(800)，所述第二安装件(800)连接于所述传力件(700)和所述重物(300)之间。7.根据权利要求1-6任一项所述的姿态传感器，其特征在于，所述机架(200)包括：底座(210)、安装座(220)及将所述安装座(220)支撑于所述底座(210)上方的立柱(230)；所述光波导(100)设置在所述底座(210)上，所述重物(300)可滑动地设置在所述安装座(220)上。8.根据权利要求7所述的姿态传感器，其特征在于，所述安装座(220)能够沿所述立柱(230)上下滑动。9.根据权利要求8所述的姿态传感器，其特征在于，所述立柱(230)为螺杆，所述机架(200)还包括与所述立柱(230)螺纹连接的螺母，所述螺母用于将所述安装座(220)锁定于任一高度处。10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括如权利要求1-9任一项所述的基于柔性光波导的姿态传感器(10)。

技术总结
本发明涉及一种基于柔性光波导的姿态传感器及机器人。该姿态传感器包括光波导、机架及重物；光波导设置在所述机架上，重物可沿预设方向滑动地设置在机架上，重物与光波导的包层的表面相连并与光波导的内芯相对应，预设方向与内芯的轴线相垂直并与包层的表面相平行。该姿态传感器的重物只能沿预设方向滑动地设置在机架上，使得光波导可通过重物的重力分量来实现绝对姿态的感知，与依靠角速度积分实现姿态感知的陀螺仪相比，感知的为绝对姿态，无积分过程及其带来的累计误差问题；由于重物的滑动方向与内芯的轴线相垂直并与包层的表面相平行，这使得光波导的输出与姿态角的正弦值具有良好的线性关系，在使用中具有方便性，也保证了检测的灵敏性。保证了检测的灵敏性。保证了检测的灵敏性。


技术研发人员：赵慧婵 周婧祎 刘辛军
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2022/7/5