CN101581612A - 光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种用作触觉传感器的光纤传感器(18a，18b)，其包括：多个剪切应力传感器部件(32，34)，包括各自的光纤(38，44)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(40，46)。光栅(40，46)布置在光纤(38，44)中并且沿平行于剪切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32，34)的方向的平面排列。光纤传感器(18a，18b)还包括垂直应力传感器部件(36)，其包括光纤(50)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(52)。所述光栅(52)布置在光纤(50)中并且沿平行于垂直应力从物体(12)施加到垂直应力传感器部件(36)的方向的平面排列。优选地，用于转换施加的应力的方向的应力方向转换装置(156)，例如弹性元件，安装在光纤(38，44，50)上。

Description

光纤传感器

技术领域

本发明涉及用于利用光纤来检测应力的光纤传感器，该光纤中结合有用于反射具有特定波长的光束的多个光栅。

背景技术

在某些操纵器应用中，操纵器抓取物体并且对物体执行某种类型的工作。此时，如果操纵器向物体施加过度的抓取力，则物体往往遭到破坏。相反地，如果操纵器没有向物体施加足够的抓取力，则物体可能从操纵器跌落。

为了阻止对物体的破坏或稳定地拿住物体，现有技术中已经尝试将操纵器与传感器进行组合，以检测正在由操纵器抓取的物体的被抓取状态。一种此类的传感器包括触觉传感器，其用于将来自物体的垂直应力检测为操纵器的抓取力，并且将来自物体的剪切应力检测为操纵器的滑动(参见，例如，日本公开专利申请NO.2006-010407)。

上述类型的一种触觉传感器是称为“FBG(光纤布拉格光栅)传感器”的光纤传感器，其具有布置在光纤纤芯中的多个光栅(衍射光栅)，该光纤嵌入在片体(sheet body)中，如日本公开专利申请NO.2002-131023和日本公开专利申请NO.2002-071323所公开。当响应于从物体向光栅施加的应力，在光栅中显现出应变时，造成由光栅反射的光束的波长改变。基于改变的波长，光纤传感器检测到在光栅中显现的应变，并且还检测出从物体施加的应力。

然而，在日本公开专利申请NO.2002-131023以及在日本公开专利申请NO.2002-071323中公开的光纤传感器的问题在于，如果由操纵器抓取的物体具有不同的形状或在不同的位置处与光纤接触，则将在光栅上产生不同的应力分布，使得光纤传感器难以准确地检测施加的应力。

图29是示意性示图，其示出在以垂直于光纤2延伸方向的方向上对光栅1施加应力之前以及之后，布置在光纤2中的光栅1。当应力F基本上均匀地施加到光栅1时，光栅1的光栅空间(grating space)基本上均匀地扩张。此时，仅造成由光栅1反射的光束的波长改变，如图30中所示。

然而，如果操纵器抓取具有不同形状的物体或在不同的角度抓取物体，则应力往往非均匀地施加到光栅1。此时，如图31中所示，光栅1的光栅空间非均匀地扩张，即，光栅空间在不同的位置处变化。作为结果，如图32中所示，光栅1根据其不同的扩张光栅空间来反射不同波长的光束。

根据日本公开专利申请NO.2005-134199中所建议的解决方案，光纤被***到固定层中，该固定层被弹性片夹在中间，制成FBG传感器部件。FBG传感器部件具有末端表面和反向末端表面，其中末端表面通过粘合层与待测物体保持紧密接触，而在反向末端表面上布置有压板，缓冲层置于它们之间。

然而，即使利用日本公开专利申请NO.2005-134199所公开的结构，如果由操纵器所抓取的物体具有不同的形状或在不同的位置接触光纤，则在压板并因此在光栅上产生不同的应力分布。因此，不太容易确定所施加应力的精确大小，或换句话说，难以获得足够高级别的测量精度。

发明内容

本发明的总体目的是提供一种高度耐用和可靠的光纤传感器。

本发明的主要目的是提供一种光纤传感器，其用作用于同时检测从物体施加的垂直应力和剪切应力的触觉传感器。

本发明的另一个目的是提供一种光纤传感器，其具有用于测量应力的提升级别的测量精度。

根据本发明的一个方面，一种光纤传感器，包括：多个剪切应力传感器部件，该剪切应力传感器部件包括各自的光纤和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅，光栅布置在光纤中并且沿平行于剪切应力从物体施加到剪切应力传感器部件的方向的平面排列；以及垂直应力传感器部件，其包括光纤和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅，光栅布置在光纤中并且沿平行于垂直应力从物体施加到垂直应力传感器部件的方向的平面排列。

由此构建的光纤传感器用作触觉传感器，并能够基于来自光纤的光信号独立地并且同时地检测来自物体的剪切应力和垂直应力。由于使用来自光纤的光信号，所以光纤传感器不受电磁噪声的影响。由于光纤传感器不太可能漏电，所以光纤传感器是高度耐用且可靠的，并且可以高度准确地检测剪切应力和垂直应力。

剪切应力传感器部件和垂直应力传感器部件的每个应该优选地包括柔性片体。

剪切应力传感器部件的光纤可以分别在平面中的两个垂直方向上延伸，其中该平面平行于剪切应力从物体施加到剪切应力传感器部件的方向。

可选地，剪切应力传感器部件的光栅可以布置在平面中的多个不同位置中，其中该平面平行于剪切应力从物体施加到剪切应力传感器部件的方向，并且光栅可以反射具有不同波长的各个光束。

进一步可选地，每个剪切应力传感器部件可以包括两个相邻光栅，并且基于分别由两个相邻光栅所反射的光束的波长移位的移位方向和移位量，来检测剪切应力的方向和大小。

垂直应力传感器部件的光栅可以在平面中的多个不同位置中布置，该平面垂直于垂直应力从物体施加到垂直应力传感器部件的方向，并且光栅可以反射具有不同波长的各个光束。

根据本发明的另一方面，一种光纤传感器，其包括：应力传感器部件，该应力传感器部件包括光纤和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅，光栅被布置在光纤中；以及，应力方向转换装置，其用于将不同于光纤纵轴的所施加应力的方向转换成平行于光纤纵轴的方向，并且以转换后的方向向光栅传递应力。

当光纤由应力方向转换装置拉长时，布置在光纤中的光栅被扩张，从而光栅空间基本上是均匀的。这是因为光纤是由结合到光纤的应力方向转换装置的接头拉长的，并且施加的应力基本上均匀地分布到光纤。

因此在扩张光栅后，光栅空间基本上是均匀的。由于在扩张光栅后观察到由光栅反射的光束的波长的移位，因此可以基于反射的光束的波长的移位来高度精确地检测作用于光纤上的应力。

用于将不同于光纤纵轴的所施加应力的方向转换成平行于光纤纵轴的方向的应力方向转换装置跨光纤中的每个光栅而安装到光纤上。施加的应力分布并且施加到光纤和应力方向转换装置之间的接头。

由于在扩张光栅后，光栅空间基本上是均匀的，所以在光栅被扩张后观察到由光栅反射的光束的波长的移位。因此，可以基于反射的光束的波长的移位来高度精确地检测作用于光纤上的应力。

应力方向转换装置包括平直部分，其平行于光纤纵轴而延伸，以及应力传递件，其从平直部分延伸到光纤。

优选地，平直部分具有比应力传递件更高的弹性模量。当施加应力时，平直部分初始被拉长。接着，随着平直部分被拉长，应力传递件在没有被弯曲的情况下扩展。因此，应力传递件可以轻易地拉长光纤。

当结合通过说明性例子示出本发明的优选实施方式的附图时，通过下面的描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得更加明显。

附图说明

图1是结合有根据本发明第一实施方式的光纤传感器的机器人***的部分框图形式的示意图；

图2是示出FBG传感器的操作原理的透视图；

图3是示出施加到FBG传感器的光的波长和由FBG传感器的光栅所反射的光束的波长之间关系的示图；

图4是FBG传感器检测剪切应力的原理的示意图；

图5是如图4中所示应力施加前和施加后，由FBG传感器的光栅所反射的光束的波长之间关系的示图；

图6是FBG传感器检测剪切应力的原理的示意图；

图7是如图6中所示应力施加前和施加后，由FBG传感器的光栅所反射的光束的波长之间关系的示图；

图8是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的分解透视图；

图9是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的X方向剪切应力传感器部件和Y方向剪切应力传感器部件的俯视图；

图10是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的Z方向应力传感器部件的截面图；

图11是根据另一实施方式的Z方向应力传感器部件的透视图，该Z方向应力传感器部件使用在根据本发明第一实施方式的光纤传感器中；

图12是根据本发明第一实施方式的光纤传感器的堆叠组件的透视图；

图13是根据本发明第二实施方式的光纤传感器的堆叠组件的透视图；

图14是结合有根据本发明第一实施方式的光纤传感器形式的触觉传感器的机器人***的框图；

图15是结合有根据本发明第三实施方式的光纤传感器的机器人***的部分框图形式的示意图；

图16是示出FBG传感器的操作原理的透视图；

图17是根据本发明第三实施方式的光纤传感器的分解透视图；

图18是两个弹性元件的透视图；

图19是结合有根据本发明第三实施方式的光纤传感器的机器人***的框图；

图20是示出当应力施加到弹性元件的平直部分的基本纵向中心区域时，每个弹性元件如何改变其形状的俯视图；

图21是示出当应力施加到靠近弹性元件的倾斜部分的平直部分的末端时，每个弹性元件如何改变其形状的俯视图；

图22是示出施加到弹性元件的平直部分、倾斜部分和连接部分的应力之间关系的俯视图；

图23是具有不同形状的其他弹性元件的透视图；

图24是具有不同形状的另一其他弹性元件的透视图；

图25是具有不同形状的又一其他弹性元件的透视图；

图26是具有不同形状的另一其他弹性元件的透视图；

图27是具有不同形状的另外弹性元件的透视图；

图28是具有不同形状的又一另外弹性元件的透视图；

图29是示出在垂直于光纤延伸方向的方向上向光栅施加应力之前和之后的光栅的示意图；

图30是示出如何造成图29中所示的光栅所反射的光束的波长改变的示图；

图31是示出在垂直于光纤延伸方向的方向上向光栅施加应力之前和之后的光栅的示意图；以及

图32是示出如何造成图31中所示的光栅所反射的光束的波长改变的示图。

具体实施方式

将参考附图在下面详细描述根据本发明优选实施方式的光纤传感器。

图1是以部分框图形式示意性示出结合有根据本发明第一实施方式的光纤传感器(以下也称为“触觉传感器”)的机器人***10。如图1中所示，机器人***10包括：用于抓取和处理物体12的操纵器14；分别布置在操纵器14的手臂16a、16b上的一对触觉传感器18a、18b，用于检测由手臂16a、16b所抓取的物体12的抓取状态而同时保持与物体12的接触；触觉传感器控制器20，其用于控制触觉传感器18a、18b以获取用作代表物体12的抓取状态的信息的剪切应力和垂直应力；以及，操纵器控制器22，其用于基于已经由触觉传感器控制器20所获取的剪切应力和垂直应力来控制操纵器14。

当手臂16a、16b抓取物体12时，可以基于已经由触觉传感器18a、18b所检测到的剪切应力来检测物体12相对于手臂16a、16b的滑动。当手臂16a、16b抓取物体12时，可以基于已经由触觉传感器18a、18b所检测到的垂直应力来检测由手臂16a、16b施加到物体12的抓取力。因此，通过根据已经检测到的剪切应力和垂直应力来控制手臂16a、16b，机器人***10能够处理物体12，例如以合适的抓取力来抓取物体12以及将物体12移位到期望的位置而不会让物体12跌落。

触觉传感器18a、18b的每个包括FBG传感器24(参见图2)。下面将参考图2来描述FBG传感器24的操作原理。

FBG传感器24包括光纤26，该光纤26具有纤芯28和通过紫外线形成在纤芯28的相应部分中的多个光栅30A、30B。在图2中，所示出的FBG传感器24具有两个彼此隔开的光栅30A、30B。

如果假设两个光栅30A、30B具有各自的光栅周期Λ_A、Λ_B并且纤芯28具有有效折射率n_eff，则光栅30A、30B反射具有满足下列等式(1)、(2)的相应波长λ_A、λ_B(布拉格波长)的光束，并且使具有其他波长的光束穿过。

λ_A＝2n_effΛ_A    ...(1)

λ_B＝2n_effΛ_B    ...(2)

当具有如图3中所示特定范围的波长λ的光施加到光纤26的纤芯28的入口端时，光纤26从纤芯28的入口端发射具有相应的波长λ_A、λ_B的反射光束，以及从纤芯28的反向出口端发射具有其他波长的光束。

如图4中所示，当将位于沿光纤26的纵轴的由箭头X1所指示的方向上的剪切应力施加到位于光栅30A、30B之间的光纤26时，光栅30A的光栅周期Λ_A减小，并且光栅30B的光栅周期Λ_B增大。因此，如图5中所示，由光栅30A所反射的光束的波长λ_A被移位到短于波长λ_A的波长λ_A ^-，并且由光栅30B所反射的光束的波长λ_B被移位到长于波长λ_B的波长λ_B ⁺。

如图6中所示，当将位于沿光纤26的纵轴的由箭头X2所指示的方向上的剪切应力施加到位于光栅30A、30B之间的光纤26时，光栅30A的光栅周期Λ_A增大，并且光栅30B的光栅周期Λ_B减小。因此，如图7中所示，由光栅30A所反射的光束的波长λ_A被移位到长于波长λ_A的波长λ_A ⁺，并且由光栅30B所反射的光束的波长λ_B被移位到短于波长λ_B的波长λ_B ^-。

因此，可以通过检测由相邻光栅30A、30B所反射的光束的波长λ_A、λ_B发生移位的移位方向和移位量来确定施加的剪切应力的方向和大小。

可以通过检测由光栅30A或30B所反射的光束的波长λ_A或λ_B发生移位的移位量来确定纵向施加到光纤26的应力(即，垂直应力)的大小。

图8以分解透视图示出了触觉传感器18a、18b，每个采取在图2中示出的FBG传感器24的形式。

如图8中所示，触觉传感器18a、18b中的每一个包括：X方向剪切应力传感器部件32，其用于检测沿正交三轴坐标系的X轴方向施加的剪切应力；Y方向剪切应力传感器部件34，其用于检测沿正交三轴坐标系的Y轴方向施加的剪切应力；以及Z方向应力传感器部件36，其用于检测沿正交三轴坐标系的Z轴方向施加的垂直应力。

X方向剪切应力传感器部件32采用片体的形式，其包括具有沿光纤38的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿X轴方向排列的多个光栅40的单个光纤38，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件42，光纤38被包裹在模制的柔性压敏元件42中。光栅40具有彼此不同的各自光栅周期(参见图2中示出的光栅周期Λ_A、Λ_B)。

Y方向剪切应力传感器部件34采用片体的形式，其包括具有沿光纤44的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Y轴方向排列的多个光栅46的单个光纤44，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件48，光纤44被包裹在模制的柔性压敏元件48中。光栅46具有彼此不同的各自光栅周期(参见图2中示出的光栅周期Λ_A、Λ_B)。

图9以俯视图示出X方向剪切应力传感器部件32和Y方向剪切应力传感器部件34。

Z方向应力传感器部件36采用片体的形式，其包括具有沿光纤50的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Z轴方向排列的多个光栅52的单个光纤50，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件54，光纤50被包裹在模制的柔性压敏元件54中。光栅52具有彼此不同的各自光栅周期(参见图2中示出的光栅周期Λ_A、Λ_B)。

图10在沿Y-Z平面做出的横截面中示出Z方向应力传感器部件36。

如图11中所示，Z方向应力传感器部件36可以包括两个光纤56a、56b，其被结合为彼此垂直的交错模式，从而光纤56a、56b中的光栅52以增加的密度封装在Z方向应力传感器部件36中。

如图12中所示，触觉传感器18a、18b中的每个可以包括X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34以及Z方向应力传感器部件36的堆叠组件。可选地，根据如图13中所示的本发明的第二实施方式，触觉传感器18a、18b中的每个可以包括剪切应力传感器部件35和Z方向应力传感器部件36的堆叠组件，其中剪切应力传感器部件35是X方向剪切应力传感器部件32和Y方向剪切应力传感器部件34的整体组合。

由于触觉传感器18a、18b采用X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向应力传感器部件36的柔性片体的形式，因此触觉传感器18a、18b可以安装在可以是任意期望形状的手臂16a、16b的表面上。

X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向应力传感器部件36包括各自的单个光纤38、44和50。然而，光纤38、44和50的每个可以包括多个光纤，而这多个光纤包括光栅。

图14以框图示出结合有上述结构的触觉传感器18a、18b的机器人***10。

如图14中所示，从光源58发射的光通过由光束切换器60以时间共享(time-sharing)方式选择的半镀银镜62a、62b、62c之一提供给触觉传感器18a、18b中每个的X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34或Z方向应力传感器部件36。

光从X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34或Z方向应力传感器部件36的一端进入到它们的光纤38、44或50(参见图8)。部分光由光栅40、46或52反射，而剩余的光则通过光栅40、46或52到达发送光终端负载(terminator)64a、64b或64c。

由光栅40、46或52反射的光束由半镀银镜62a、62b和62c导向到触觉传感器控制器20的反射光检测器66，其检测并且将光束转换成电信号。反射光检测器66包括分光镜，其用于分光和检测所应用的相应波长的光束。从X方向剪切应力传感器部件32和Y方向剪切应力传感器部件34反射的光束中转换而来的电信号被提供给剪切应力计算器68，并且从Z方向应力传感器部件36反射的光束转换而来的电信号被提供给垂直应力计算器70。

基于从X方向剪切应力传感器部件32的光栅40所反射的光束转换而来的电信号以及根据从相邻光栅40所反射的光束的波长的移位量和移位方向，剪切应力计算器68计算在对应于相邻光栅40的位置处施加到X方向剪切应力传感器部件32的剪切应力的大小和方向，如图5和图7中所示。类似地，基于从Y方向剪切应力传感器部件34的光栅46所反射的光束转换而来的电信号以及根据从相邻光栅46所反射的光束的波长的移位量和移位方向，剪切应力计算器68计算在对应于相邻光栅46的每个位置处施加到Y方向剪切应力传感器部件34的剪切应力的大小和方向。从计算的大小和方向中可以检测到物体12在X-Y平面中相对于手臂16a、16b的滑动。

由于光栅40、46设置在X-Y平面的二维矩阵中，所以剪切应力计算器68可以基于通过光栅40、46所检测到的滑动以及光栅40、46的位置信息来确定X-Y平面中的滑动分布。

基于从Z方向应力传感器部件36的光栅52所反射的光束转换而来的电信号以及根据从Z方向应力传感器部件36的每个光栅52所反射的光束的波长的移位量，垂直应力计算器70计算在对应于光栅52的每个位置处施加到Z方向应力传感器部件36的垂直应力的大小。可以从计算的垂直应力的大小来检测在Z轴方向上由手臂16a、16b施加到物体12的抓取力。由于光栅52设置在X-Y平面的二维矩阵中，所以垂直应力计算器70可以基于通过光栅52所检测到的抓取力以及光栅52的位置信息来确定X-Y平面中的抓取力分布。

在图14中示出的机器人***10中，从光源58发射的光从由光束切换器60以时间共享方式选择的半镀银镜62a、62b和62c之一提供给触觉传感器18a、18b，并且从触觉传感器18a、18b反射的光束由反射光检测器66来检测。然而，触觉传感器18a、18b的X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向应力传感器部件36可以提供有来自三个独立光源的相应光束，并且来自X方向剪切应力传感器部件32、Y方向剪切应力传感器部件34和Z方向应力传感器部件36的反射光束可以由三个独立的反射光检测器来检测。根据这样的修改，可以同时检测从物体12所施加的剪切应力和垂直应力。

触觉传感器18a、18b不限于检测由手臂16a、16b所抓取的物体12的抓取状态，而是也可以应用于例如检测物体的表面状态。

以下将详细描述根据本发明第三实施方式的光纤传感器。

图15以部分框图形式示意性示出结合有根据本发明第三实施方式的光纤传感器的机器人***110。如图15中所示，机器人***110包括：用于抓取和处理物体12的操纵器14；分别布置在操纵器14的手臂16a、16b上的一对光纤传感器118a、118b，用于检测由手臂16a、16b所抓取的物体12的抓取状态而同时保持与物体12的接触；光纤传感器控制器20，其用于控制光纤传感器118a、118b以获取用作代表物体12的抓取状态的信息的剪切应力和垂直应力；以及，操纵器控制器22，其用于基于已经由光纤传感器控制器20所获取的剪切应力和垂直应力来控制操纵器14。

当手臂16a、16b抓取物体12时，可以基于由光纤传感器118a、118b所检测到的剪切应力来检测物体12相对于手臂16a、16b的滑动。当手臂16a、16b抓取物体12时，可以基于已经由光纤传感器118a、118b所检测到的垂直应力来检测由手臂16a、16b施加到物体12的抓取力。因此，通过根据已经检测到的剪切应力和垂直应力来控制手臂16a、16b，机器人***110能够处理物体12，例如以合适的抓取力来抓取物体12以及将物体12移位到期望的位置而不会让物体12跌落。

光纤传感器118a、118b的每个包括图16中示出的FBG传感器124。FBG传感器在结构上与图2中示出的FBG传感器24基本相同，并且FBG传感器124的操作原理也基本上与FBG传感器24的操作原理相同。因此，省略操作原理的描述。在图16中，FBG传感器124包括光纤126，该光纤126具有纤芯128和布置在纤芯128一部分中的一对光栅130A、130B。

图17在分解透视图中示出使用图16中示出的FBG传感器124的光纤传感器118a、118b的每个。

光纤传感器118a、118b中的每个包括：X方向剪切应力传感器部件132，其用于检测沿正交三轴坐标系的X轴方向施加的剪切应力；Y方向剪切应力传感器部件134，其用于检测沿正交三轴坐标系的Y轴方向施加的剪切应力；以及Z方向应力传感器部件136，其用于检测沿正交三轴坐标系的Z轴方向施加的垂直应力。

X方向剪切应力传感器部件132采用片体的形式，其包括具有沿光纤138的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿X轴方向排列的多个光栅140的单个光纤138，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件142，光纤138被包裹在模制的柔性压敏元件142中。光栅140具有彼此不同的各自光栅周期(参见图16中示出的光栅周期Λ_A、Λ_B)。

Y方向剪切应力传感器部件134采用片体的形式，其包括具有沿光纤144的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Y轴方向排列的多个光栅146的单个光纤144，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件148，光纤144被包裹在模制的柔性压敏元件148中。光栅146具有彼此不同的各自光栅周期(参见图16中示出的光栅周期Λ_A、Λ_B)。

Z方向应力传感器部件136采用片体的形式，其包括具有沿光纤150的纵向以规则的间隔布置在其中并且沿Z轴方向排列的多个光栅152的单个光纤150，以及塑料、树脂等的柔性压敏元件154，光纤150被包裹在模制的柔性压敏元件154中。光栅152具有彼此不同的各自光栅周期(参见图16中示出的光栅周期Λ_A、Λ_B)。

由于光纤传感器118a、118b采用X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134和Z方向应力传感器部件136的柔性片体的形式，因此光纤传感器118a、118b可以安装在可以是任意期望形状的手臂16a、16b的表面上。

X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134和Z方向应力传感器部件136包括各自的单个光纤138、144和150。然而，光纤138、144和150中的每一个可以包括多个光纤，而这多个光纤包括光栅。

用作应力方向转换装置的弹性元件156安装在光纤138、144、150上，并且处于各自的光栅140、146和152之上并跨各自的光栅140、146和152。

图18以透视图示出光纤138，例如其上安装有两个弹性元件156。如图18中所示，每个弹性元件156包括沿平行于光纤138的纵轴延伸的平直部分158，以及从平直部分158的相对端延伸到光栅140的相应端的应力传递件160。应力传递件160包括一对倾斜部分162a、162b，其连接到平直部分158的相应相对端并且倾斜地延伸到光纤138；以及，一对接头164a、164b，连接到相应的倾斜部分162a、162b的远端并且围绕着光纤138。倾斜部分162a和接头164a成角θ1倾向于彼此，并且倾斜部分162b和接头164b成等于角θ1的角θ2倾向于彼此。

弹性元件156可以通过各种弹性形变材料的任一种制成。优选地，弹性形变材料包括橡胶或树脂。弹性元件156也可以通过液晶聚合物、碳纤维增强塑料(CFRP)等制成。优选的是平直部分158具有比倾斜部分162a、162b以及接头164a、164b更高的弹性模量。

安装在其他光纤144、150上的弹性元件156在结构上与安装在光纤138上的弹性元件156相同。

图19以框图的形式示出结合有上述结构的光纤传感器118a、118b的机器人***110。

如图19中所示，从光源58发射的光通过由光束切换器60以时间共享方式选择的半镀银镜62a、62b、62c之一提供给光纤传感器118a、118b的每个的X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134或Z方向应力传感器部件136。

光从X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134或Z方向应力传感器部件36的一端进入到它们的光纤138、144或150(参见图17)。部分光由光栅140、146或152反射，而剩余的光则通过光栅140、146或152到达发送光终端负载64a、64b或64c。

由光栅140、146或152反射的光束由半镀银镜62a、62b或62c导向到光纤传感器控制器20的反射光检测器66，其检测并且将光束转换成电信号。反射光检测器66包括分光镜，其用于分光和检测所应用的相应波长的光束。从X方向剪切应力传感器部件132和Y方向剪切应力传感器部件134反射的光束转换而来的电信号被提供给剪切应力计算器178，并且从Z方向应力传感器部件136反射的光束转换而来的电信号被提供给垂直应力计算器180。

基于从X方向剪切应力传感器部件132的光栅140所反射的光束转换而来的电信号以及根据从相邻光栅140所反射的光束的波长的移位量和移位方向，剪切应力计算器178计算在对应于相邻光栅140的位置处施加到X方向剪切应力传感器部件132的剪切应力的大小和方向，如图5和图7中的情形。类似地，基于从Y方向剪切应力传感器部件134的光栅140所反射的光束转换而来的电信号以及根据从相邻光栅146所反射的光束的波长的移位量和移位方向，剪切应力计算器178计算在对应于相邻光栅146的每个位置处施加到Y方向剪切应力传感器部件134的剪切应力的大小和方向。从计算的大小和方向可以检测到物体12在X-Y平面中相对于手臂16a、16b的滑动。

由于光栅140、146设置在X-Y平面的二维矩阵中，所以剪切应力计算器178可以基于通过光栅140、146所检测到的滑动以及光栅140、146的位置信息来确定在X-Y平面中的滑动分布。

基于从Z方向应力传感器部件136的光栅152所反射的光束转换而来的电信号以及根据从Z方向应力传感器部件136的每个光栅152所反射的光束的波长的移位量，垂直应力计算器180计算在对应于光栅52的每个位置处施加到Z方向应力传感器部件136的垂直应力的大小。可以从计算的垂直应力的大小来检测在Z轴方向上由手臂16a、16b施加到物体12的抓取力。由于光栅152设置在X-Y平面的二维矩阵中，所以垂直应力计算器180可以基于通过光栅152所检测到的抓取力以及光栅152的位置信息来确定X-Y平面中的抓取力分布。

如图20中所示，当剪切应力F施加到光纤138或144上的弹性元件156时，剪切应力初始作用在弹性元件156的平直部分158上，由此拉长平直部分158。

如上所述，倾斜部分162a、162b和接头164a、164b的弹性模量低于平直部分158的弹性模量。因此，倾斜部分162a、162b绕它们到平直部分158的连接处有角度地远离彼此，由此增加在平直部分158和倾斜部分162a、162b之间形成的角度。换句话说，倾斜部分162a、162b远离彼此地扩展，由此移位接头164a、164b远离彼此。结果是，在倾斜部分162a、162b以及接头164a、164b之间形成的角度被减小。

由于接头164a、164b被移位而远离彼此，因此光纤138或144沿其纵轴而被拉长，由此扩展光栅140或146的光栅周期。由此扩展的光栅周期沿光纤138或144的纵轴也基本上是均匀的，因为移位而远离彼此的两个接头164a、164b沿其纵轴拉长光纤138或144。

因此，弹性元件156用于将施加的剪切应力的方向从基本上垂直于光纤138或144的纵轴的方向转换到平行于光纤138或144的纵轴的方向。

如图22中所示，如果假设当剪切应力F施加到弹性元件156时，应力F1、F2分别作用于倾斜部分162a、162b，并且应力F3、F4分别作用于接头164a、164b，则光栅140、146由分别等于应力F1、F2的力F3、F4来扩展。如果在剪切应力F作用的方向和倾斜部分162a、162b之间形成的角度用α表示，则剪切应力F、应力F1、F2以及角度α满足下面的等式(3)：

F1＝F2＝Fcosα          ...(3)

由于在应力F2的方向和光纤138或144的纵轴之间形成的角度由90°-α来表示，所以作用在光纤138或144以及接头164a、164b上的力F3、F4通过下面的等式(4)来表达：

F3＝F4＝F2cos(90°-α)

＝F2sinα

＝Fcosαsinα           ...(4)

由于在倾斜部分162a和接头164a之间形成的角θ1与在倾斜部分162b和接头164b之间形成的角θ2彼此相等，因此应力F1等于应力F2并且应力F3等于力F4。如果假设光纤138或144具有弹性常数E以及应变ε，则满足下面的等式(5)：

ε＝(2/E)Fcosαsinα    ...(5)

如果假设光栅140或146的光栅数目由N来表示并且光栅140或146的光栅空间的变化用Δ来表示，则光栅数目N和光栅空间Δ满足下面的等式(6)：

Δ＝ε/(N-1)                         ...(6)

通过将等式(5)代入等式(6)中的ε，等式(6)可以根据下面的等式(7)来表达：

Δ＝2Fcosαsinα/[E×(N-1)]          ...(7)

因此，可以通过下面的等式(8)来确定波长移位λ：

λ＝2×n_eff×Δ

＝4×n_eff×Fcosαsinα/[E×(N-1)]    ...(8)

因此根据剪切应力F唯一确定峰值波形。

当剪切应力被施加到位于被移位离开平直部分158的纵向中心位置的位置处的平直部分158时，例如当剪切应力被施加到靠近倾斜部分162b的平直部分158的端部时，上面描述的现象也出现，如图21中所示。具体地，当剪切应力被施加到平直部分158靠近倾斜部分162b的端部时，平直部分158朝倾斜部分162a拉长。倾斜部分162a、162b成角度地彼此远离，由此使接头164a、164b彼此远离。结果是，光纤138或144被拉长，扩展了光栅140或146的光栅空间。如图21中所示，光栅140或146的光栅空间基本上相等地扩展。

尽管没有示出，上述现象也发生在当剪切应力被施加到平直部分158靠近倾斜部分162a的端部的时候。

由于光栅140或146被扩展，从而光栅空间基本上相等地扩展，光栅140或146并不反射具有不同波长的多个光束(参见图32)，但反射具有这样波长的光束：该波长不同于在光栅140或146被扩展之前反射的光束的波长，如图30中所示。

如果在倾斜部分162a和接头164a之间形成的角θ1以及在倾斜部分162b和接头164b之间形成的角θ2彼此不同，则可以执行下面的计算：

如果假设在剪切应力F作用的方向和倾斜部分162a、162b之间形成的角度分别用α、β表示，并且倾斜部分162a、162b具有各自的应力ε1、ε2，则满足下面的等式(9)、(10)：

ε1＝F3/E

＝Fcosαsinα/E                  ...(9)

ε2＝F4/E

＝Fcosβsinβ/E                  ...(10)

因为总应力ε等于ε1+ε2，所以满足下面的等式(11)：

ε＝ε1+ε2

＝(Fcosαsinα+Fcosβsinβ)/E    ...(11)

通过将等式(11)代入等式(6)中的ε，根据下面的等式(12)来表达等式(6)：

Δ＝(Fcosαsinα+Fcosβsinβ)/[E×(N-1)]    ...(12)

因此，波长移位λ可以通过下面的等式(13)来确定：

λ＝2×n_eff×Δ

＝2×n_eff×(Fcosαsinα+Fcosβsinβ)/[E×(N-1)]    ...(13)

当垂直应力施加到光纤150时，根据第三实施方式的光纤传感器将以上述的相同方式来操作。根据类似于上述等式(4)到(13)的等式来确定取决于垂直应力的峰值波形。

根据第三实施方式，如上所述，当扩展光栅140、146和152时，相应的光栅空间将基本上均匀地扩展，并且根据施加的应力来唯一地确定移位的波长。因此，可以以增加的准确度来测量施加的应力。

尽管已经示出并且详细描述了本发明的某些优选实施方式，但应该理解在不脱离所附权利要求书的范围下可以做出各种改变和修改。

例如，图23在透视图中示出其他弹性元件156，其用作应力方向转换装置，具有不同的形状。如图23中所示，每个弹性元件156具有接头164a、164b，其连接到相邻弹性元件156的接头164b、164a。

图24在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图24中所示，每个弹性元件156围绕着光纤138、144或150的上表面和下表面。

图25在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图25中所示，类似于图24中所示弹性元件156的弹性元件156具有接头164a、164b，其连接到相邻弹性元件156的接头164b、164a。

图26在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图26中所示，每个弹性元件156布置在光纤138、144或150之上或之下，并且具有连接到相邻弹性元件156的接头164b、164a的接头164a、164b。

图27和图28在透视图中示出具有不同形状的其他弹性元件156。如图27和图28中所示，相邻的弹性元件156具有彼此连接的相应平直部分158。

在图19示出的机器人***110中，从光源58发射的光从由光束切换器60以时间共享方式选择的半镀银镜62a、62b、62c之一提供给光纤传感器118a、118b，并且由反射光检测器66检测来自光纤传感器118a、118b的反射光束。然而，光纤传感器118a、118b的每个的X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134和Z方向应力传感器部件136提供有来自三个独立光源的相应光束，并且来自X方向剪切应力传感器部件132、Y方向剪切应力传感器部件134和Z方向应力传感器部件136的反射光束可以由三个独立的反射光检测器来检测。根据这样的修改，可以同时检测从物体12所施加的剪切应力和垂直应力。

光纤传感器18a、18b、118a、118b不限于检测由手臂16a、16b所抓取的物体12的抓取状态，而是也可以应用于例如检测物体的表面状态。

Claims (10)

1.一种光纤传感器(18a，18b)，包括：

多个剪切应力传感器部件(32，34)，包括各自的光纤(38，44)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(40，46)，所述光栅(40，46)布置在光纤(38，44)中并且沿平行于剪切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32，34)的方向的平面排列；以及

垂直应力传感器部件(36)，其包括光纤(50)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(52)，所述光栅(52)布置在光纤(50)中并且沿平行于垂直应力从物体(12)施加到垂直应力传感器部件(36)的方向的平面排列。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器(18a，18b)，其中剪切应力传感器部件(32，34)和垂直应力传感器部件(36)的每个包括柔性片体。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器(18a，18b)，其中所述剪切应力传感器部件(32，34)的光纤(38，44)分别在平行于剪切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32，34)的方向的平面中的两个垂直方向上延伸。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器(18a，18b)，其中所述剪切应力传感器部件(32，34)的光栅(40，46)布置在平行于剪切应力从物体(12)施加到剪切应力传感器部件(32，34)的方向的平面中的多个不同位置中，并且光栅(40，46)反射具有不同波长的各个光束。

5.根据权利要求1所述的光纤传感器(18a，18b)，其中剪切应力传感器部件(32，34)的每个包括两个相邻光栅(40，46)，并且基于分别由两个相邻光栅(40，46)所分别反射的光束的波长发生移位的移位方向和移位量来检测剪切应力(F)的方向和大小。

6.根据权利要求1所述的光纤传感器(18a，18b)，其中所述垂直应力传感器部件(36)的光栅(52)在垂直于垂直应力从物体(12)施加到垂直应力传感器部件(36)的方向的平面中的多个不同位置中布置，并且光栅(52)反射具有不同波长的各个光束。

7.一种光纤传感器(118a，118b)，包括：

应力传感器部件，包括光纤(138，144，150)和用于反射具有预定波长的光束的多个光栅(140，146，152)，光栅(140，146，152)被布置在光纤(138，144，150)中；以及

应力方向转换装置(156)，其用于将不同于光纤(138，144，150)的纵轴的所施加应力(F)的方向转换成平行于光纤(138，144，150)的纵轴的方向，并且以转换的方向向光栅(140，146，152)传递应力(F)。

8.根据权利要求7所述的光纤传感器(118a，118b)，其中所述应力方向转换装置(156)包括：平直部分(158)，其平行于光纤(138，144，150)的纵轴而延伸；以及，应力传递件(160)，其从平直部分(158)延伸到光纤(138，144，150)。

9.根据权利要求8所述的光纤传感器(118a，118b)，其中所述平直部分(158)具有比应力传递件(160)更高的弹性模量。

10.根据权利要求7所述的光纤传感器(118a，118b)，其中所述应力方向转换装置(156)通过橡胶、树脂、液晶聚合物以及碳纤维增强塑料之一制成。

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