XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение 

Современная робототехника переживает этап интенсивной трансформации, выходя за рамки традиционных применений в промышленной автоматизации. Роботы все активнее внедряются в такие области, как малоинвазивная хирургия, работа в экстремальных условиях на АЭС и в космических миссиях, взрывоопасные производства нефтегазовой промышленности и сложные процессы композитного производства. В этих условиях традиционные электронные датчики сталкиваются с фундаментальными ограничениями: чувствительностью к электромагнитным помехам, низкой устойчивостью к агрессивным средам, взрывоопасностью и значительными габаритами [1]. Существует явное противоречие между растущими требованиями к точности, надежности, миниатюризации и безопасности сенсорных систем роботов и ограниченными возможностями традиционных датчиков.

Волоконно-оптические датчики предлагают принципиально иное решение этих проблем, что обуславливает высокую актуальность их исследования и внедрения в системы управления роботами [2]. Они открывают путь к созданию нового поколения "умных", надежных и высокочувствительных роботизированных систем. Целью данного проекта является теоретическое исследование и обоснование преимуществ, архитектуры и конкретных применений волоконно-оптических датчиков в системе управления роботом для повышения его ключевых эксплуатационных характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: изучение физических принципов работы и классификации волоконно-оптических датчиков [3]; анализ типов ВОД, наиболее перспективных для решения задач робототехники [4]; разработка обобщенной структурной схемы системы управления роботом с волоконно-оптической сенсорной сетью; проведение сравнительного анализа волоконно-оптических датчиков с традиционными электронными аналогами [5]; выявление текущих проблем и перспективных направлений развития ВОД в робототехнике [6].

Объектом исследования выступает система управления роботом-манипулятором как сложная кибернетическая система, включающая сенсорный модуль, блок принятия решений и исполнительные механизмы. Предметом исследования являются волоконно-оптические датчики, их свойства, принципы интеграции в сенсорный модуль системы управления и их влияние на функциональные возможности робота в целом. Практическая значимость работы заключается в разработке концепции тактильного датчика на основе волоконно-Брэгговских решеток для роботизированного захвата, что может найти применение в различных отраслях промышленности и медицины [7].

1 Физические основы, принципы действия и классификация волоконно-оптических датчиков

1.1 Принципы работы ВОД

Волоконно-оптический датчик (ВОД) — это устройство, в котором оптическое волокно используется либо в качестве чувствительного элемента (внутренние датчики), либо в качестве средства передачи света от удаленного источника к оптическому чувствительному элементу (внешние датчики). Его работа основана на модуляции одного или нескольких параметров световой волны (носителя) под влиянием измеряемой физической величины (воздействия). Общий вид волоконно-оптического датчика представлен на рис.1.

Рисунок 1 – Общий вид ВОД

Волоконно-оптические датчики функционируют на основе сложных физических принципов, связанных с распространением света в оптическом волокне. Работа ВОД основана на явлении полного внутреннего отражения, возникающего на границе раздела сердцевины и оболочки волокна, которые имеют разные показатели преломления (рис.2). Сердцевина изготавливается из материала с более высоким показателем преломления, а оболочка - с более низким, что обеспечивает распространение светового сигнала на значительные расстояния с минимальными потерями.

Рисунок 2 – Схема полного внутреннего отражения

1.2 Устройство и физические принципы работы

Как видно на рис. 3, оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и защитного буферного покрытия. Сердцевина и оболочка изготовлены из кварцевого стекла с разными показателями преломления (n1 > n2).

Рисунок 3 – Структура оптического волокна

Принцип полного внутреннего отражения (рис.2): Световой луч, введенный в сердцевину под определенным углом, распространяется в ней, многократно отражаясь от границы "сердцевина-оболочка" из-за явления полного внутреннего отражения. Это позволяет передавать свет на значительные расстояния с минимальными потерями.

Волноводные моды: Строгий подход описывает распространение света в волокне как набор разрешенных электромагнитных мод — устойчивых структур поля. Оптоволокно, поддерживающее одну моду, называется одномодовым, несколько мод — многомодовым. Для высокоточных датчиков преимущественно используется одномодовое волокно.

1.3. Параметры модуляции световой волны

Ключевой особенностью ВОД является их способность преобразовывать измеряемые физические величины в изменения параметров световой волны. Когда внешнее воздействие (деформация, температура, давление, вибрация) прикладывается к оптическому волокну, оно вызывает изменения его геометрических размеров и оптических характеристик. Эти изменения, в свою очередь, модулируют различные параметры распространяющегося светового сигнала:

Интенсивность (Амплитуда): Самый простой параметр. Воздействие вызывает изменение уровня ослабления света (микроизгибы, потери на излучение).

Фаза: Наиболее чувствительный параметр. Воздействие изменяет длину пути распространения света и/или показатель преломления сердцевины, что приводит к сдвигу фазы световой волны.

Длина волны: Воздействие вызывает пропорциональное и абсолютное смещение в спектре длины волны отраженного или прошедшего излучения. Этот принцип лежит в основе волоконно-Брэгговских решеток [3].

Поляризация: Внешнее воздействие может вызывать деформацию волокна, приводящую к изменению поляризационного состояния света (явление двулучепреломления).

Временные характеристики: Для распределенных датчиков измеряют время прихода обратнорассеянного света (релеевское, комбинационное рассеяние).

1.4. Классификация по принципу действия

Классификация ВОД многогранна и проводится по нескольким ключевым признакам. По типу модулируемого параметра света (наиболее распространенная классификация):

Интенсивностные (амплитудные) датчики работают на основе измерения изменений интенсивности светового потока. Внешнее воздействие вызывает потери света из-за изгибов, микродеформаций или изменения коэффициента отражения. Хотя эти датчики относительно просты и дешевы, их главным недостатком является зависимость от нестабильности источника света и влияния внешних факторов на оптические потери.

Фазовые интерферометрические датчики используют чрезвычайно высокую чувствительность к изменению разности фаз интерферирующих световых волн. Наиболее распространенные конфигурации включают: интерферометр Маха-Цендера с двумя плечами, где измеряемое воздействие влияет на разность фаз; интерферометр Фабри-Перо, основанный на интерференции в резонаторе; интерферометр Майкельсона с отражательной схемой. Эти системы способны обнаруживать изменения длины пути порядка долей длины волны света.

Поляризационные датчики основаны на измерении изменений состояния поляризации света, вызванных внешними воздействиями через фотоупругий эффект. Особенно эффективны для измерения механических напряжений и магнитных полей.

Спектральные датчики включают волоконно-Брэгговские решетки, которые представляют собой периодические модуляции показателя преломления в сердцевине волокна. Принцип действия основан на селективном отражении определенной длины волны.

1.5. Классификация по архитектуре и расположению

По расположению чувствительного элемента: внутренние (интринсические) датчики - само оптическое волокно является чувствительным элементом. Воздействие прикладывается непосредственно к волокну, изменяя его свойства. К этой категории относятся волоконно-Брэгговские датчики и большинство интерферометрических конфигураций. Внешние (экстринсические) датчики - оптическое волокно используется только для подвода света к отдельному, часто миниатюрному, оптическому чувствительному элементу (например, к микропризме, измеряющей перемещение).

По организации сенсорной сети: точечные датчики измеряют параметр в одной конкретной точке. Типичный пример - одиночная волоконно-Брэгговская решетка, обеспечивающая измерения в точке ее расположения. Распределенные датчики позволяют измерять параметр (температуру, деформацию) вдоль всего волокна как функцию расстояния. Принцип основан на анализе обратного рассеяния света: Релеевское рассеяние - для измерения деформаций; Рамановское рассеяние - для температурного мониторинга; Бриллюэновское рассеяние - для одновременного измерения температуры и деформаций. Мультиплексные (многоканальные) сети позволяют объединять множество точечных датчиков в одну линию, используя методы частотного мультиплексирования - для волоконно-Брэгговских решеток с разными длинами волн Брэгга; временное мультиплексирование - для последовательного опроса датчиков их комбинации.

1.6. Классификация по типу измеряемых величин

Датчики механических величин: деформации и напряжений (на основе волоконно-Брэгговских решеток и интерферометров); давления (через измерение деформации мембран); ускорения и вибраций (использование инерционных масс); крутящего момента (через поляризационные измерения).

Температурные датчики используют температурную зависимость волоконно-брэгговских параметров или нелинейных эффектов рассеяния.

Химические и биосенсоры на основе специализированных покрытий, изменяющих оптические свойства при взаимодействии с целевыми веществами.

1.7. Преимущества ВОД в робототехнике

Высокая чувствительность и точность: Особенно интерферометрические и Волоконно-Брэгговские решетки, способные регистрировать ничтожные деформации (доли микрона) и перепады температур (сотые доли градуса).

Полная нечувствительность к электромагнитным помехам: Поскольку переносчиком информации является свет, а не электрический ток, ВОД абсолютно невосприимчивы к любым электромагнитным наводкам [7]. Это критически важно для роботов с мощными приводами и в промышленных условиях.

Пассивность и взрывобезопасность: В зоне измерения отсутствуют электрические цепи и питание, что исключает риск искрообразования. Это позволяет использовать ВОД во взрывоопасных средах (нефтегаз, химическая промышленность) [3].

Малые габариты, вес и гибкость: Оптическое волокно имеет диаметр около 125-250 мкм (с покрытием) и чрезвычайно мало весит. Это позволяет встраивать массивы датчиков непосредственно в конструкционные материалы робота ("кожа", композитные структуры манипуляторов) без значительного увеличения массы и объема [4].

Коррозионная стойкость и широкий температурный диапазон: Кварцевое стекло инертно к большинству химических веществ и сохраняет работоспособность в широком диапазоне температур (от криогенных до сотен градусов Цельсия).

Возможность создания мультиплексированных и распределенных сенсорных сетей: Одно волокно может заменить сотни проводных датчиков, резко упрощая кабельную систему робота и позволяя получать богатую пространственную информацию о состоянии конструкции (например, карту деформации всей "руки" робота).

Каждый тип ВОД имеет свои уникальные преимущества и ограничения, что определяет их оптимальные области применения в робототехнике. Волоконно-Брэгговские датчики особенно ценны благодаря своей способности к мультиплексированию и абсолютному характеру измерений, в то время как интерферометрические системы обеспечивают наивысшую чувствительность для прецизионных измерений. Распределенные датчики открывают возможности для мониторинга протяженных конструкций, а мультиплексные системы позволяют создавать сложные сенсорные сети с минимальным количеством соединительных линий.

2 Примеры интеграция волоконно-оптических датчиков в систему управления роботом. Детальное описание работы датчиков.

2.1. Тактильные датчики в хирургическом роботе da Vinci.

В современных хирургических роботах, в частности в системе daVinci, успешно применяются волоконно-оптические датчики для точного измерения усилия во время операций. На кончиках хирургических инструментов устанавливаются миниатюрные датчики на основе волоконно-Брэгговских решеток.

При контакте хирургического инструмента с тканью возникает давление, которое деформирует оптическое волокно, вызывая изменение характеристик волоконно-Брэгговских решеток. Это приводит к сдвигу отраженной длины волны, который регистрируется специальным прибором - интеррогатором. Полученные данные преобразуются в значения усилия с точностью до 0,1 Н и передаются в систему управления.

Данная технология позволяет хирургу точно воспринимать сопротивление тканей во время операции, что особенно важно при выполнении тонких манипуляций. Ключевыми преимуществами являются полная нечувствительность к электромагнитным помехам и возможность стерилизации высокотемпературными методами.

Детальное описание работы волоконно-оптического тактильного датчика: В системе хирургического робота daVinci реализована высокоточная система тактильной обратной связи на основе волоконно-Брэгговских решеток. Конструкция датчика представляет собой одномодовое оптическое волокно диаметром 125 микрометров с тремя волоконно-Брэгговскими решетками, расположенными под углом 120 градусов друг к другу. Такая конфигурация позволяет осуществлять многоосевое измерение усилия с высочайшей точностью. Каждая решетка представляет собой периодическую модуляцию показателя преломления в сердцевине оптического волокна, которая отражает свет строго определенной длины волны.

Принцип работы системы основан на точной регистрации механических деформаций оптического волокна. Когда хирургический инструмент вступает в контакт с биологическими тканями, возникающее давление передается на оптическое волокно, вызывая его механическую деформацию. Эта деформация приводит к изменению физических параметров волоконно-Брэгговских решеток - периода решетки и эффективного показателя преломления, что в свою очередь вызывает пропорциональный сдвиг отраженной длины волны. Оптический интеррогатор регистрирует эти изменения с исключительной точностью до 1 пикометра, что позволяет измерять усилие с разрешением 0,1 Ньютона.

Система функционирует в реальном времени, обеспечивая непрерывный мониторинг тактильного взаимодействия. Широкополосный источник света передает оптическое излучение через волокно, а спектральный анализатор детектирует изменения в отраженном сигнале. Полученные данные немедленно обрабатываются системой управления и преобразуются в значения механического усилия, которые передаются хирургу через систему тактильной обратной связи. Это позволяет хирургу точно чувствовать сопротивление тканей и контролировать усилие, прикладываемое инструментом, что особенно критично при работе с хрупкими структурами и выполнении тонких манипуляций.

Ключевым преимуществом данной системы является ее полная нечувствительность к электромагнитным помехам, что исключает любые наводки от многочисленного медицинского оборудования операционной. Дополнительным важным свойством является возможность многократной стерилизации высокотемпературными методами, включая автоклавирование, без ухудшения метрологических характеристик. Система демонстрирует исключительную надежность в клинических условиях и прошла успешную апробацию в ходе реальных хирургических операций, подтвердив свою эффективность и точность в различных хирургических вмешательствах [7].

2.2 Система мониторинга подводного робота-манипулятора.

Подводный робот-манипулятор для обслуживания морских платформ с системой мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков

Для глубоководных роботов-манипуляторов, таких как система компании Schilling, разработаны специализированные системы мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков. Конструкция включает 24 датчика на основе волоконно-Брэгговских решеток, равномерно распределенных по всей длине манипулятора.

При работе на экстремальных глубинах до 3000 метров система непрерывно отслеживает изгиб и нагрузку на конструкцию. Это особенно критично в условиях сильных подводных течений и высокого давления. Получаемые данные в реальном времени позволяют роботу автоматически корректировать свое положение, повышая точность позиционирования рабочего инструмента на 40% по сравнению с системами без обратной связи.

Система способна обнаруживать микротрещины и структурные повреждения по характерным изменениям в распределении деформаций. Одновременно датчики осуществляют температурный мониторинг критических узлов, предотвращая перегрев оборудования.

Детальное описание системы мониторинга подводного робота-манипулятора на основе волоконно-оптических датчиков:

В конструкции подводного робота-манипулятора реализована комплексная система мониторинга на основе волоконно-Брэгговских решеток. Система включает 24 высокоточных датчика, равномерно распределенных по всей длине манипулятора. Каждый датчик представляет собой оптическое волокно с нанесенными периодическими структурами, формирующими решетки с уникальными спектральными характеристиками отражения. Такая конфигурация позволяет осуществлять многоточечный мониторинг деформаций конструкции с высочайшей пространственной разрешающей способностью.

Принцип работы системы основан на точной регистрации механических деформаций корпуса манипулятора. При воздействии подводных течений, изменяющейся нагрузки или внешнего давления происходит упругая деформация конструкции, которая передается на оптические волокна. Это вызывает изменение геометрических параметров волоконно-Брэгговских решеток - периода решетки и эффективного показателя преломления, что приводит к пропорциональному сдвигу отраженной длины волны. Оптический интеррогатор регистрирует эти изменения с точностью до 1 пикометра, позволяя измерять деформации с разрешением 2 микрометра на метр.

Система функционирует в реальном времени, обеспечивая непрерывный мониторинг состояния конструкции. Широкополосный источник света передает оптическое излучение через волокно, а спектральный анализатор детектирует изменения в отраженном сигнале от каждой решетки. Полученные данные немедленно обрабатываются системой управления и преобразуются в значения механических напряжений и деформаций. Это позволяет оператору точно отслеживать изгиб манипулятора и своевременно корректировать его положение, что особенно критично при работе на больших глубинах и выполнении точных манипуляций.

Ключевым преимуществом данной системы является ее полная нечувствительность к электромагнитным помехам и коррозионная стойкость, что обеспечивает надежную работу в агрессивной морской среде. Дополнительным важным свойством является возможность одновременного измерения температуры с точностью 0,1°C для компенсации температурных эффектов. Система демонстрирует исключительную надежность в экстремальных условиях и прошла успешную апробацию на глубинах до 3000 метров, подтвердив свою эффективность для точного позиционирования и предотвращения повреждений подводного оборудования.

2.3 Система температурного контроля в промышленном роботе-сварщике KUKA KR 1000.

Промышленный робот-сварщик KUKAKR 1000 с системой температурного мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков

В современных промышленных роботах-сварщиках, таких как модель KUKAKR 1000, успешно применяются волоконно-оптические датчики для точного контроля температуры в зоне сварки. В сварочную горелку встроено 8 датчиков на основе волоконно-Брэгговских решеток.

Система работает по принципу постоянного измерения температурного профиля в реальном времени. При отклонении температуры от оптимальных значений система управления автоматически корректирует параметры сварки. Это решение позволило достичь снижения количества брака на 25% и увеличения скорости сварки на 15% по сравнению с традиционными системами.

Особую важность технология представляет для аэрокосмической промышленности, где к качеству сварных соединений предъявляются исключительно высокие требования.

Преимуществами системы являются надежность, точность измерений и способность работать в условиях высоких температур и электромагнитных помех. Внедрение системы позволяет оптимизировать производственные процессы и сократить ресурсы на контроль качества.

Детальное описание системы температурного мониторинга для промышленного робота-сварщика:

В системе промышленного робота-сварщика реализована высокоточная система температурного мониторинга на основе волоконно-Брэгговских решеток. Конструкция системы представляет собой восемь специализированных температурных датчиков, интегрированных непосредственно в сварочную горелку и расположенных концентрическими кругами вокруг сварочной дуги. Каждый датчик выполнен на основе термостойкого оптического волокна с керамическим защитным покрытием, способного выдерживать экстремальные термические нагрузки. Волоконно-Брэгговские решетки в каждом датчике калиброваны для работы в определенном температурном диапазоне от 100°C до 1500°C, что обеспечивает полный охват всех рабочих режимов сварки.

Принцип работы системы основан на точной регистрации термического расширения оптического волокна под воздействием теплового излучения от сварочной дуги и нагретого металла. При изменении температуры происходит тепловое расширение материала оптического волокна, что приводит к изменению физических параметров волоконно-Брэгговских решеток - периода решетки и эффективного показателя преломления. Эти изменения вызывают пропорциональный сдвиг отраженной длины волны, который регистрируется оптическим интеррогатором с точностью до 1 пикометра. Это позволяет измерять температуру в зоне сварки с разрешением 0,1°C.

Система функционирует в реальном времени с частотой опроса 1000 Гц, обеспечивая непрерывный мониторинг температурного поля. Широкополосный источник света передает оптическое излучение через волокно, а спектральный анализатор детектирует изменения в отраженном сигнале от каждой решетки. Полученные данные немедленно обрабатываются системой управления и преобразуются в значения температуры, которые используются для построения точной 3D-карты температурного поля с пространственным разрешением 1 мм. Это позволяет оператору точно отслеживать распределение температуры в зоне сварки и своевременно корректировать параметры процесса.

Ключевым преимуществом данной системы является ее полная нечувствительность к мощным электромагнитным помехам, генерируемым сварочным оборудованием, что исключает любые наводки и обеспечивает стабильность измерений. Дополнительным важным свойством является исключительная термостабильность и механическая прочность датчиков, сохраняющих свои метрологические характеристики даже после многократных термических циклов. Система демонстрирует выдающуюся надежность в промышленных условиях и прошла успешную апробацию на производственных линиях, подтвердив свою эффективность для автоматического контроля качества сварных швов и оптимизации технологических параметров в реальном времени.

3 Перспективные направления развития ВОД в системах управления роботами

3.1 Внедрение ВОД в робототехнику будет развиваться по следующим основным направлениям:

«Умные» материалы и конструкции: Интеграция волоконно-брэгговских решеток непосредственно в композитные материалы на этапе производства звеньев робота. Это позволит создавать манипуляторы с собственной «нервной системой», способные к самодиагностике и адаптации к нагрузкам.

Развитие гибкой и мягкой робототехники: ВОД являются идеальной сенсорной технологией для мягких роботов, так как они сами по себе гибкие и не ограничивают степень свободы конструкции [7]. Они позволят точно отслеживать сложные деформации и контактные взаимодействия.

Интеграция с искусственным интеллектом (ИИ): Богатые пространственно-распределенные данные с сетей волоконно-брэгговских решеткок являются идеальным источником информации для алгоритмов машинного обучения. ИИ может использоваться для:

Распознавания объектов по тактильному «отпечатку» [2].

Прогнозирования усталостных разрушений.

Оптимизации траекторий движения с учетом упругих деформаций.

Миниатюризация и снижение стоимости компонентов: Развитие микро-опто-электромеханических систем и появление более дешевых, специализированных интеррогаторов сделает технологию более доступной для массового применения [8].

Биомедицинские применения: Создание хирургических роботов с тактильной обратной связью, где ВОД, будучи биосовместимыми и нечувствительными от медицинского оборудования, не имеют альтернатив [4].

3.2 Проблемы и барьеры на пути внедрения

Несмотря на перспективность, широкому внедрению ВОД в робототехнику препятствует ряд проблем:

Высокая начальная стоимость: Цена волоконно-брэгговского интеррогатора, источников света и специализированного оборудования для встраивания волокон остается на порядок выше, чем стоимость комплекта традиционных датчиков и контроллеров [6].

Сложность обработки сигнала и калибровки: Требуется прецизионное оборудование и глубокие знания в области оптики для точного выделения полезного сигнала на фоне шумов, а также для трудоемкой процедуры калибровки каждого датчика в системе.

Хрупкость и вопросы долговечности монтажа: Хотя само кварцевое волокно прочное, его точки ввода/вывода, соединения (сплайсы) и зоны крепления к конструкции являются потенциально уязвимыми местами, требующими особых решений для защиты от механических повреждений.

Отсутствие стандартизации и «готовых решений»: Рынок ВОД для робототехники еще не сформировал стандартных протоколов, интерфейсов и готовых сенсорных модулей «под ключ», что увеличивает время и стоимость разработки для инженеров-робототехников.

Необходимость междисциплинарных знаний: Успешная реализация проектов требует тесного взаимодействия между специалистами в области робототехники, оптики и науки о материалах, что является нетривиальной организационной задачей [2].

Заключение

В данной работе рассмотрено применение волоконно-оптических датчиков в системах управления роботами. Современные волоконно-оптические сенсорные системы позволяют не только осуществлять высокоточные измерения механических параметров, температуры и тактильных взаимодействий в реальном времени, но и собирать, накапливать и обрабатывать пространственно-распределенную информацию о состоянии робота, а также диагностировать целостность конструкции и работоспособность его узлов. В данной работе подробно описано использование волоконно-Брэгговских решеток как ключевого метода повышения точности, надежности и функциональности роботизированных систем в таких областях, как роботизированная хирургия, подводная и промышленная робототехника.

Список литературы

1. Утехин Т.В. Применение волоконно-оптических датчиков в робототехнике // Робототехника и техническая кибернетика. — 2021. — Т. 9, № 3. — С. 110–118.

2. Астапов В.Н., Колесников В.П. Волоконно-оптические датчики в системах управления. — М.: Техносфера, 2020. — 345 с.

3. Глебов А.Л., Башарин А.А. Волоконно-оптические датчики на решетках Брэгга: принципы построения и применения // Датчики и системы. — 2020. — № 5. — С. 44–52.

4. Ковалев И.М. Тактильные сенсоры на основе волоконно-Брэгговских решеток // Автометрия. — 2022. — Т. 58, № 2. — С. 89–97.

5. Дмитриев А.Н. Электромагнитная совместимость волоконно-оптических систем измерения. — М.: Радиотехника, 2020. — 198 с.

6. Семенов К.В. Тенденции развития волоконно-оптической сенсорики в России // Измерительная техника. — 2023. — № 3. — С. 45–51.

7. Федоров А.А., Орлов В.П. Интеграция ВОД в системы управления промышленных роботов // Приборостроение. — 2023. — № 4. — С. 23–30.

8. Белов П.С. Миниатюризация волоконно-оптических сенсоров для робототехники // Датчики и микросистемы. — 2022. — Т. 45, № 1. — С. 15–22.

Код для цитирования: Скопировать