[发明专利]对柔性结构的实时表面形状感测

说明书

表面形状确定系统包含柔性且可拉伸的弹性体基板形式的表面形状传感器，所述基板具有嵌入其中的应变/位移感测元件。传感器可为单芯光纤，光纤沿着其长度具有位于预先确定位置处的一系列光纤布拉格光栅(FBG)。光源在光纤的一个端部处提供入射光谱。光纤的每个光栅具有引起不满足布拉格条件的光谱的特定波长被反射回光纤中的折射率调制。光栅的折射率由于基板的偏转在基板上随应变而改变。询问器捕获光的反射波长并从其撷取信号信息。处理器接收询问器的输出并使用神经网络对信息进行非线性回归分析，以在表面偏转时实时地重建表面形态。

本申请要求2018年6月22日提交的在先提交的美国临时申请No.62/688,878的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及对表面形状的检测，并且更特别地涉及基于位于表面上的应变敏感传感器对表面形状的确定。

背景技术

近年来，已经存在将柔软且可变形的结构集成到机器人系统中的趋势。目标应用包括手术[1]和康复[2]，其中研究人员因为其固有的机械顺应性而利用柔软且柔性的机器人。然而，这些软机器人系统通常用来自大型跟踪系统的反馈，使用间接变量(例如纤维增强致动器中的压力)来控制，或者在开环中操作，忽略了实际机器人形状和姿势不可避免地受到环境影响的事实[3]。

结果，表面形状本身的测量已成为感兴趣的领域。一些研究利用非接触式外部设备(如立体相机和LiDAR)来重建3D表面[4]。运动捕获系统也被用于收集对象的局部位置信息，其中反射标记物附着在表面上[5、6]。Gelsight[7]能够使用具有视觉处理技术的外部CCD相机从图像帧重建复杂表面。类似地，GelForce[8]使用CCD相机检测柔性基板中标记物的位移，以估计表面引力场。尽管来自基于相机的系统的高分辨率感测数据允许重建复杂的变形，但是这些类型的系统由于其庞大的体积和对视线的依赖性而不方便用于软机器人或独立的机器人系统。

使用设备齐全的形状传感器是另一种测量柔性3D物体的方法。可以将小尺寸的基于接触的传感器附接到物体，以确定物体表面的局部位置和取向信息。微机电系统(MEMS)允许集成许多小型化传感器，以提供用于全局形状重建的局部信息[9]。使用以栅格图案排列的一片不可拉伸的三轴加速度计进行了表面形状重建[10]。类似地，Cheng等人[11]开发了一种人造皮肤，其由基于加速度计的刚性六边形传感器单元组成，可以提供每个传感器的相对姿态。Saguin-prynski等人[12]描述了他们从取向测量进行3D曲线重建的工作，并应用多曲线进行表面重建。然而，栅格型MEMS传感器的限制是，由于节点之间的固定连接，它们通常具有有限的柔性和拉伸能力。由于布线，在大规模应用中使用时，它们也很复杂。

最近，例如为共晶镓铟(eGaIn)的液体导体已被嵌入弹性体基板中，以测量完全柔软的传感器中的应变。这些传感器本质上是柔顺的，并且被设计为人造皮肤，其可以集成到完全柔软的系统中，如软机器人[13、14]。它们的基本感测原理类似于传统的应变计，需要液体金属通道任一端上的接触电极。这可以使扩展到更大或更复杂的设计成为具有挑战性的任务。