[发明专利]对柔性结构的实时表面形状感测

权利要求书

1.一种表面形状传感器，包括：

柔性弹性体基板，其在不同方向上是可拉伸的；

嵌入所述基板中的至少一个单芯光纤，所述光纤沿着所述光纤的长度具有一系列至少两个位于预先确定位置处的光纤布拉格光栅(FBG)；

其中所述光纤适配于在所述光纤的一个端部处从光源接收入射光谱，由此所述光纤的每个光栅具有反射不满足布拉格条件的光谱的特定波长的折射率调制，而其余的光谱会通过所述光纤，并且所述FBG的折射率由于所述基板的偏转随基板上的应变而改变；以及

其中所述基板的表面形状能够通过以下来重建：分析反射的光谱以提取由在所述光纤中的FBG传感器的唯一变形图案所生成的数据，以及由非线性回归方法分析所述数据。

2.根据权利要求1所述的表面形状传感器，其中通过也就是有限元建模(FEM)的数值分析，在制造之前能够为每个表面定制诸如基板厚度和传感器布局的设计参数。

3.根据权利要求1所述的表面形状传感器，所述光纤在所述基板中两次盘绕成圆形形状，一次在上表面，一次在下表面，以及所述光纤从所述中间平面偏移并且所述基板具有适当的厚度以便于辨别变形图案。

4.根据权利要求1所述的表面形状传感器，其中所述光纤是基于二氧化硅的光纤。

5.根据权利要求1所述的表面形状传感器，其中所述光纤是基于聚合物的光纤。

6.根据权利要求1所述的表面形状传感器，其中所述基板由硅酮橡胶制成并具有平坦形状。

7.根据权利要求1所述的表面形状传感器，其中FBG的系列包含与用于感测所述基板变形的其他FBG间隔开的温度补偿的FBG。

8.一种表面形状确定系统，包括：

如权利要求1所述的表面形状传感器；

光源，在所述光纤的一个端部处生成入射光谱；

询问器，捕获所述光的反射波长并从其撷取信号信息；以及

处理器，接收所述询问器的输出并对所述信息进行非线性回归分析以实时地重建表面形态。

9.根据权利要求8的表面形状确定系统，所述系统还包含环形器，其中将来自所述光源的光被施加到所述环形器并由所述环形器递送到所述光纤，来自所述光纤的反射的光被施加到所述环形器并递送到所述询问器。

10.根据权利要求8的表面形状确定系统，其中所述传感器基板结合到物体的表面，使得确定所述物体的表面。

11.根据权利要求8的表面形状确定系统，其中所述物体是软机器人的部分。

12.根据权利要求1所述的传感器，其中所述结构包括：i)顶部薄硅酮保护层，ii)第一FBG层、iii)硅酮板，iv)第二FBG层，以及v)底部薄硅酮保护层。

13.根据权利要求8的系统，其中所述光源生成具有从1500到1595nm的波长的宽频带可见光。

14.根据权利要求1所述的表面形状传感器，其中较大感测面积能够通过在所述光纤中增加FBG的数目和/或通过在相同基板中包含附加的单芯光纤来获得。

15.根据权利要求13的表面形状确定系统，其中所述非线性回归方法是神经网络。