Перспективные волоконно-оптические датчики для систем управления медицинскими роботами

В наше время робототехника является одним из перспективных направлений развития науки и техники. Возможности и сфера применения роботов постоянно расширяются. Одной из областей применения робототехники является медицина: созданы роботы для проведения малоинвазивных хирургических операций, ухода за пациентами, роботизированные протезы конечностей и т. д. Для управления этими роботами используется массив датчиков, формирующих информационную картину окружающей обстановки и информацию о положении исполнительных устройств (манипуляторов) робота. В современных роботах, как правило, применяются датчики с электрическим выходным сигналом, которые чувствительны к внешним электромагнитным полям, что может сказываться на стабильности управления роботами.

В качестве альтернативы датчикам с электрическим выходным сигналом рассматриваются волоконно-оптические датчики (ВОД) с закрытым оптическим каналом, так как они не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей и имеют ряд других достоинств: не имеют электрического питания, взрывобезопасны, имеют широкий динамический диапазон измерений, высокую чувствительность, возможность интегрирования массива датчиков в один волоконно-оптический канал [1, 2]. Среди ВОД в последнее время часто рассматриваются датчики на основе магнитооптического эффекта Фарадея.

Структурная схема волоконно-оптического дифференциального датчика перемещения (ВОДДП) на основе магнитооптического эффекта приведена на рисунке 1. Он состоит из двух чувствительных элементов (ЧЭ) и двух электронных преобразователей. Световой поток Ф 0 источника света 1 (светодиод, лазер) с круговой поляризацией через многомодовое оптическое волокно 2 и поляризатор 3 проходит через магнитооптический элемент (МОЭ) 4, где под воздействием магнитного поля, сформированного постоянным магнитом 5 и магнитопроводом 6, происходит поворот плоскости поляризации на угол φ. Далее световой поток проходит через анализатор 7, выделяющий две ортогональные составляющие светового потока Ф 1 и Ф 2 , которые через многомодовое волокно 2 поступают на фотоприемные устройства 8, 9.

Рис. 1. Структурная схема ВОДДП на основе магнитооптического эффекта

В этом случае величины световых потоков, поступающих на фотоприемные устройства 8 и 9, определяются выражениями [1]:

Ф _1Д ( х ) = а • Ф 0 • е ^- ch [(1 - k ) Sin ² ( Ф пг ± _{Ф о} ( Н ср . ( х ))) + к ] ,                         (1)

Ф.,2 (х) = а • Фо • е -ch [(1 - к) Sin2 (Фпг ± Фо (НСр. (х))) + к ], где а - коэффициент, учитывающий оптические потери в поляризаторе и анализаторе; Ф0 – световой поток падающего на поляризатор; c – коэффициент оптического поглощения МОЭ; h – толщина МОЭ; k – коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор – МОЭ – анализатор; φ0 – угол установки между поляризатором и анализатором; Фпг – угловое отклонение от положения погасания в системе поляризатор – анализатор (здесь и в дальнейшем верхний апостроф «"» относится к элементам левой части ВОДДП).

Выходной сигнал Y вых (х) ВОДДП определяется следующим образом:

Y вых ( х ) = Y Ч х ) - Y ( х ) ,                                    (2)

где Y ( х ) = ^{Y ( х} ) ^{-Y( х} ) ; Y ■( х ) = Y V ^х ) ^- Y 2, ( ^х )

Y 1^{( х} ) ⁺ Y 2^{( х} )            Y ( х ) + Y 2 ( х )

– выходные сигналы правого и левого элек-

тронных преобразователей соответственно;     Y ( х ) = K_t • Ф ( х ) ;     Y ( х ) = K, • Ф ₂ ( х );

Y "( х ) = K • Ф "( х ) и У ₂"( х ) = K • Ф ₂"( х ) - сигналы на выходах ЧЭ; К₇ - коэффициент, учитывающий преобразование световых потоков Ф 1 , Ф 2 ЧЭ в электрический сигнал.

Среднее значение напряженности магнитного поля Н_ср ( х ) , H .,( х ) в месте расположения чувствительных элементов 4 можно найти:

J ( Н ( х ) Д_п )dS             J ( Н ^( х ) ,1 n )dS

H cp. (х ) = S --------------;     H .p. (х ) = S-------------- ,                 (3)

где 1„ - единичный вектор нормали к поверхности интегрирования; S - площадь поверхности

МОЭ 4; H ( х ), H ( х ) - напряженность магнитного поля в направлении единичного вектора 1_Я.

Тогда из выражения (2) с учетом (1) и (3) можно определить позиционную характеристику (ПХ) ВОДДП Y вых (х) . Для этого была определена полная магнитная проводимость

Л ^ (х)=1/К е (х) по методике, изложенной в [3] и далее получена зависимость напряженности магнитного поля Н_ср ( х ) , H" ( х ) от положения постоянного магнита.

В результате были получены: позиционная зависимость магнитной проводимости Л ^ (х) , ПХ ВОДДП, координатная зависимость приведенной погрешности нелинейности 5(х) ПХ ВОДДП (рис. 2).

Рис. 2. Графики зависимости магнитной проводимости Λ ∑ (х) от перемещения магнита, позиционной характеристики ВОДДП Y(х), распределения приведенной погрешности нелинейности δ(x) ПХ по диапазону перемещения

Максимальная величина погрешности нелинейности ПХ (рис. 2) составляет 3,56 %. Задача линеаризации ПХ может быть решена несколькими путями, в т. ч.:

• 1.    Алгоритмическим путем (за счет математической обработки выходного сигнала ФУ в микропроцессоре с учетом калибровочных коэффициентов, записанных в его память).

• 2.    Конструкторским путем, суть которого заключается в следующем. Пусть между подвижной частью (постоянным магнитом) и ЧЭ размещается магнитопровод, профилированный по некоторому закону. Тогда при перемещении постоянного магнита изменяются как величина зазора между постоянным магнитом и ЧЭ, так и величина зазора между постоянным магнитом и магнитопроводом. За счет выбора соответствующего профиля магнитопровода, возможна линеаризация ПХ, например, используя идеи [4].

На основе полученных теоретических результатов профиль магнитопровода (для датчика недифференциальной конструкции), обеспечивающий линейность ПХ, изображен на рис. 3 (кривая 1).

Для построения ВОДДП необходимо использовать два магнитопровода, профили которых представлены на рис. 3 (кривая 1, 2). Это позволит дополнительно снизить нелинейность позиционной характеристики почти в 8 раз (экспериментально полученные результаты) до величины 0,45 %. Дальнейшая линеаризация ПХ ВОДДП возможна алгоритмическим путем.

Рис. 3. Профиль магнитопровода, обеспечивающий линейность ПХ.

На основе полученных теоретических и практических результатов исследований в настоящее время разработан ряд ВОД физических величин, успешно прошедших испытание [5–7].

Рассмотренные в статье ВОД позволяют создавать быстродействующие и мало чувствительные к электромагнитным воздействиям системы управления медицинскими роботами. Кроме того, использование в качестве канала передачи информации ВОЛС делает возможным применение различных видов уплотнения каналов, в т. ч. спектрального [2].