基于光纤布拉格光栅的智能机器人夹持器力感知技术 [仪器与测量系统]

《IEEE Instrumentation & Measurement Magazine》：Force Perception in Smart Robotic Grippers Based on Fiber Bragg Grating [Instrumentation and Measurement Systems]

　　

本研究通过开发基于光纤布拉格光栅（FBG）传感技术的智能夹持器，解决了机器人末端执行器对精确力控制的需求。有限元分析优化了FBG的嵌入参数，确定了理想的深度。建立了一个四通道FBG力-波长耦合模型，并通过消除计算实现了温度补偿。校准结果显示，温度补偿显著改善了力-波长关系：R2 力-波长关系的改善范围从0.62–0.92提高到了0.98–0.99，而均方根误差（RMSE）降低了61.8%（从2.75×10?6 的0.62–0.92降低到0.98–0.99）。这一改进使得力-波长关系的精度得到了显著提升。 为推导力-波长矩阵，构建了一个过定方程组K，实现了99%的拟合精度。闭环控制系统在恒力夹持测试中保持了稳定的性能，力误差控制在±0.2N 范围内，证明了其在装配和手术等精密应用中的潜力。

智能机器人的夹持器性能在智能制造和精密操作中高度依赖于有效的力感知和闭环控制。力感知使机器人能够实时监测交互状态，这对于实现稳定抓取、防止滑动以及执行精细操作至关重要[1]。缺乏可靠的力反馈往往会导致抓取失败或工件损坏，尤其是在非结构化环境中这个问题尤为突出。因此，开发高灵敏度、抗干扰的力感知技术，并将其与实时控制算法相结合，已成为提高机器人抓取系统智能水平的关键方向。