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环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构

王彦 徐浩雨 汪俊亮 朱伟 蒋超

王彦, 徐浩雨, 汪俊亮, 朱伟, 蒋超. 环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(2): 398-408. doi: 10.37188/CO.2023-0088
引用本文: 王彦, 徐浩雨, 汪俊亮, 朱伟, 蒋超. 环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(2): 398-408. doi: 10.37188/CO.2023-0088
WANG Yan, XU Hao-yu, WANG Jun-liang, ZHU Wei, JIANG Chao. Three-dimensional surface shape reconstruction of fiber bragg gratings in a ring arrangement[J]. Chinese Optics, 2024, 17(2): 398-408. doi: 10.37188/CO.2023-0088
Citation: WANG Yan, XU Hao-yu, WANG Jun-liang, ZHU Wei, JIANG Chao. Three-dimensional surface shape reconstruction of fiber bragg gratings in a ring arrangement[J]. Chinese Optics, 2024, 17(2): 398-408. doi: 10.37188/CO.2023-0088

环形布设光纤布拉格光栅的三维曲面形状重构

doi: 10.37188/CO.2023-0088
基金项目: 安徽省科技重大专项项目(No. 201903a05020029)
详细信息
    作者简介:

    王 彦(1975—),女,浙江庆元人,博士,教授,2008年于南京航空航天大学智能监测与控制专业获得工学博士学位,主要从事智能检测与控制、光纤传感技术、结构健康检测等方面的研究。E-mail: wangyan@ahut.edu.cn

  • 中图分类号: TP212.1

Three-dimensional surface shape reconstruction of fiber bragg gratings in a ring arrangement

Funds: Supported by the Science and Technology Major Project of Anhui Province (No. 201903a05020029)
More Information
  • 摘要:

    为了提高柔性机器人抓握传感中掌心表面的重构精度,本文基于COMSOL仿真,在436 mm×436 mm×2 mm聚丙烯板上,采用7只经聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装的光纤光栅(FBG)柔性传感器,选取环形布设的方式,在板末端中心与两角分别受力的情况下,使用光纤光栅解调仪采集实验中的传感器数据,并通过三次样条插值法进行连续化。设定数个平面Y与拟合圆环相交,计算过点函数获得三维曲面点集,实现了空间曲面的拟合可视化显示。在曲面末端中心受力时,板末端位移最小相对误差为0.549%,最大相对误差为8.300%,最小绝对误差为0.051 cm,最大绝对误差为1.255 cm,板末端两角受力时,板面重构末端位移最小相对误差为2.546%,最大相对误差为14.289%,最小绝对误差为0.005 cm,最大绝对误差为0.729 cm。实验结果为柔性机器人掌心抓握传感提供了应用基础。

     

  • 图 1  微元示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of microelement

    图 2  曲率标定图

    Figure 2.  Curvature calibration diagram

    图 3  传感器1~7在不同曲率下的中心波长偏移量

    Figure 3.  Center wavelength offsets of sensors 1~7 under different curvatures

    图 4  递推迭代逻辑图

    Figure 4.  Recursive iterative logic diagram

    图 5  曲率标定

    Figure 5.  Curvature calibration

    图 6  实验平台受力弯曲时的受力分布图

    Figure 6.  Force distribution diagram of bending experimental platform

    图 7  COMSOL传感器布置图

    Figure 7.  COMSOL sensor layout diagram

    图 8  COMSOL仿真受力图

    Figure 8.  COMSOL simulation force diagram

    图 9  板末端中心加载1200 g负载时的曲率随弧长的变化情况

    Figure 9.  Curvature change with arc length when 1200 g load is applied to the center of plate end

    图 10  末端左角加载450 g负载(虚线),右角加载800 g负载(实线)时曲率随弧长的变化情况

    Figure 10.  Curvature changes with arc length when the left corner of the end is loaded 450 g (dotted line) and right cornor is loaded 800 g (solid line)

    图 11  曲线形状重构原理

    Figure 11.  Schematic diagram of the principle of curve shape reconstruction

    图 12  曲面重构原理

    Figure 12.  Schematic diagram of the principle of curve surface reconstruction

    图 13  曲面三维重构算法流程

    Figure 13.  Flow chart of the surface 3D reconstruction algorithm

    图 14  两种受力实验平台

    Figure 14.  Experimental platforms for two stress cases

    图 15  不同负载三维曲面重构拟合

    Figure 15.  Reconstruction and fitting of 3D surfaces under different stresses

    图 16  不同重量下板末端位移对比

    Figure 16.  Comparison of plate end displacement under different stresses

    图 17  不同重量下板末端位移相对误差

    Figure 17.  Relative errors of plate end displacement under different stresses

    图 18  不同重量下板末端位移绝对误差

    Figure 18.  Absolute errors of plate end displacement under different stresses

    图 19  两端负载三维曲面重构拟合

    Figure 19.  Reconstruction and fitting of 3D surface under stress at both ends

    图 20  不同重量下板末端位移对比

    Figure 20.  Comparison of plate end displacement under different load’s weight

    图 21  不同重量下板末端位移相对误差

    Figure 21.  Relative errors of plate end displacement under different load’s weight

    图 22  不同重量下板末端位移绝对误差

    Figure 22.  Absolute errors of plate end displacement under different load’s weight

    表  1  实验材料参数

    Table  1.   Experimental material parameters

    材料名称 弹性模量/GPa 泊松比 密度/(kg·m−1
    聚丙烯板 89 0.42 910
    裸光纤 72 0.17 2203
    硅胶 0.01 0.48 1084
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-14
  • 修回日期:  2023-06-02
  • 网络出版日期:  2023-11-07

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