CN109631820A - 一种弯曲角度检测传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弯曲角度检测传感器，包括固定座、线位移传感器、调节螺栓、钢丝绳索、空心弹簧套管以及末端固定件；在固定座上设置有矩形槽，线位移传感器通过螺纹旋紧固定在固定座上，线位移传感器的拉杆从矩形槽后部的螺纹孔内伸出；调节螺栓内设有中空通孔，通过螺纹旋紧固定在固定座的矩形槽前部，在调节螺栓的旋紧端设有沉孔，在末端固定件内侧设有沉孔，空心弹簧套管的一端压在所述调节螺栓的沉孔内，另一端压在所述末端固定件的沉孔内；钢丝绳索从空心弹簧套管内穿过，一端固定在末端固定件上，另一端穿过调节螺栓的通孔，固定在线位移传感器的拉杆末端上。本发明结构轻便简单，对使用环境无要求，能够在水、油等较恶劣环境中使用。

Description

一种弯曲角度检测传感器
技术领域
本发明涉及整体弯曲角度检测领域，具体涉及一种旨在能够检测弯曲结构的整体弯曲角度的检测传感器。
背景技术
机构的弯曲状态是机构的一项重要参数，其弯曲角度对系统的性能有着至关重要的影响。当机构是按照规则形状发生弯曲时，其弯曲角度较为容易获得，但是当机构没有按照规则形状弯曲，或者机构在多处位置上发生不同程度的弯曲的时候，此时系统的整体弯曲角度是难以获得的。
另外在一些复杂环境，如蛇形搜救机器人，内窥镜机器人，微创手术机器人等，系统的弯曲程度对系统的精密控制有着至关重要的影响。但是对于这些机构来说，对系统整体的监视较为困难，在系统末端布置传感器来检测又会带来机构的臃肿，尤其是对内窥镜机器人和微创手术机器人来说，其工作环境狭小，且机构末端要深入人体内部，不宜添加传感检测装置，另外还需要考虑与人体相容性等问题。
在专利号CN100509195C的发明专利中，公开了一种高精度曲率测控装置及方法，它通过三个直线位移检测机构来检测钢料曲线上的变形量，但是其检测仅能用于检测简单规则的单一弯曲状况，无法对复杂的无规则形状的弯曲状况进行检测。
在专利号CN102640232B的发明专利中，公开了一种具有弯曲传感器的电缆和检测其中电缆的弯曲状况的系统和方法，可以对工作期间发生弯曲的线缆进行测量，但是其检测结构比较笨重，而且仅适用于重型电缆的检测，限制了其应用范围。
在专利号CN106017343A的发明专利中，公开了一种带空气间隙的光纤弯曲传感器及测量方法，它通过测量光纤上间隙的光强衰减来得到机构的弯曲情况，虽然其结构较为简单，但是对检测的环境有一定的要求，而且其计算方法较为复杂。
因此，针对上述技术问题，有必要提出一种可以在输入端检测机构的整体弯曲角度的检测传感器和计算方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明针对上述不足，提供了一种弯曲角度检测传感器，它能够实时的检测弯曲结构的整体弯曲角度，并对其检测原理做以说明。
一种弯曲角度检测传感器，包括固定座、线位移传感器、调节螺栓、钢丝绳索、空心弹簧套管以及末端固定件；
在所述固定座上设置有矩形槽，在所述矩形槽前后部分别开设有螺纹孔，所述线位移传感器通过所述螺纹与所述螺纹孔配合旋紧固定在所述固定座上，所述线位移传感器的拉杆从所述矩形槽后部的螺纹孔内伸出；
所述调节螺栓内设有中空通孔，所述通孔的孔径大于所述钢丝绳索的直径；所述调节螺栓通过螺纹配合旋紧固定在所述固定座的矩形槽前部位置；
在所述调节螺栓的旋紧端设有沉孔，所述沉孔的孔径大于所述水空心弹簧套管的外径；在所述末端固定件内侧设有沉孔，所述沉孔的孔径大于所述空心弹簧套管的外径；所述空心弹簧套管的一端压在所述调节螺栓的沉孔内，另一端压在所述末端固定件的沉孔内；所述钢丝绳索从所述空心弹簧套管内穿过，一端固定在所述末端固定件上，另一端穿过所述调节螺栓的通孔，固定在所述线位移传感器的拉杆末端上。
还包括吊环螺母、拉伸弹簧及传感器螺杆；所述吊环螺母通过螺纹旋转固定在所述线位移传感器上；所述线位移传感器的拉杆末端设有螺纹，所述传感器螺杆设有内螺纹，所述传感器螺杆通过螺纹与所述线位移传感器的拉杆末端的螺纹配合并旋紧固定；
两个所述拉伸弹簧对称布置，所述拉伸弹簧两端的拉钩分别固定在所述吊环螺母和所述传感器螺杆上；
在所述传感器螺杆上还通过螺纹设置有绳索固定件，所述绳索固定件内设有穿孔；所述钢丝绳索穿过所述调节螺栓的通孔，经由所述绳索固定件的穿孔伸出并缠绕在所述传感器螺杆上。
在所述吊环螺母上设有对称分布的耳片，在所述耳片上设置有环形孔；在所述传感器螺杆上设有与所述吊环螺母上的耳片相对应的对称分布的耳片，在所述耳片上设置有环形孔；所述拉伸弹簧两端的拉钩分别固定在所述吊环螺母和所述传感器螺杆的环形孔内。
所述调节螺栓通过紧固螺母紧固。
所述末端固定件内设有通孔，所述通孔的孔径略大于所述钢丝绳索的直径；所述钢丝绳索穿过所述空心弹簧套管和所述末端固定件的通孔，通过末端锁紧件锁紧并固定。
通过调整所述调节螺栓和所述固定座的矩形槽前部的旋合深度，对所述空心弹簧套管的预紧进行调节。
还包括盒盖，所述盒盖包括一体化设计的盖板和线位移保护槽，所述盖板盖在所述固定座的矩形槽上，所述线位移保护槽安装在所述线位移传感器外。
将所述空心弹簧套管与待测量结构并联布置，根据所述线位移传感器的拉杆伸长长度和所述空心弹簧套管的弯曲角度的对应关系得到所述空心弹簧套管的弯曲角度，即为待检测结构的弯曲角度；
所述线位移传感器的拉杆伸长长度和所述空心弹簧套管的弯曲角度的对应关系如下：
其中，θ为空心弹簧套管的弯曲角度；a为空心弹簧套管线径；r为钢丝绳索的半径；Δl由线位移传感器测量所得。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1.体积小，结构轻便简单，可靠性好；应用范围广泛，对使用环境无要求，能够在水、油等较恶劣环境中使用；成本低。
2.测量及计算方法简单易行，传感器测得数据与系统的弯曲角度成线性关系，测量结果准确度高，实时性强。
3.本测量方法仅需要在输入端对系统的弯曲角度进行测量，不需要再输出末端添加传感器等设备，可以有效的减小系统的复杂程度。
附图说明
图1为整体结构示意图。
图2是机构爆炸图。
图3是系统剖视图。
图4是传感器测量原理图。
其中各部件命名如下：
1为盒盖、2为固定座、3为紧固螺母、4为调节螺栓、5为末端固定件、6为末端锁紧件、7为钢丝绳索、8为空心弹簧套管、9为线位移传感器、10为吊环螺母、11为拉伸弹簧、12为传感器螺杆、13为绳索固定件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1-3所示，本发明的弯曲角度检测传感器包括盒盖1、固定座2、调节螺栓4、末端固定件5、钢丝绳索7、空心弹簧套管8、线位移传感器9、吊环螺母10、拉伸弹簧11以及传感器螺杆12。在所述固定座2上设置有矩形槽，在所述矩形槽前后部分别开设有螺纹孔，在所述线位移传感器9上设有与所述螺纹孔螺纹相配合的螺纹，所述线位移传感器9通过所述螺纹与所述螺纹孔配合旋紧固定在所述固定座2上，所述线位移传感器9的拉杆可以从所述矩形槽后部的螺纹孔内伸出。所述吊环螺母10设有内螺纹，所述吊环螺母10通过螺纹与线位移传感器9上的螺纹配合安装，同时起到紧固线位移传感器的作用。在所述线位移传感器9的拉杆末端设有螺纹，所述传感器螺杆12设有内螺纹，所述传感器螺杆12通过螺纹与所述线位移传感器9的拉杆末端的螺纹配合并旋紧。在所述传感器螺杆12上还通过螺纹设置有绳索固定件13，所述绳索固定件13内设有穿孔。
在所述吊环螺母10上设有对称分布的耳片，在所述耳片上设置有环形孔；在所述传感器螺杆12上设有与所述吊环螺母10上的耳片相对应的对称分布的耳片，在所述耳片上设置有环形孔。两个所述拉伸弹簧11对称布置，所述拉伸弹簧11两端的拉钩分别固定在所述吊环螺母10和所述传感器螺杆12的环形孔内；对称布置的所述拉伸弹簧11可以有效的防止由所述钢丝绳索7产生的偏心力拉动拉杆向一侧偏斜，同时可以使所述线位移传感器9的拉杆复位。
所述调节螺栓4内有中空通孔，所述通孔的孔径略大于所述钢丝绳索7的直径，所述调节螺栓4的螺栓杆外部设有与所述固定座2上矩形槽前部螺纹孔相对应的螺纹，所述调节螺栓4通过螺纹配合旋紧固定在所述固定座2的矩形槽前部位置，同时利用紧固螺母3使所述调节螺栓4紧固。所述钢丝绳索7穿过所述调节螺栓的通孔，经由绳索固定件13的穿孔伸出并缠绕在所述传感器螺杆12上，然后通过所述绳索固定件13和所述传感器螺杆12旋紧，限制住所述钢丝绳索7在测量端的移动。
在所述调节螺栓4的旋紧端有沉孔，所述沉孔的孔径略大于空心弹簧套管8的外径。所述末端固定件5内设有通孔，所述通孔的孔径略大于所述钢丝绳索7的直径，在所述末端固定件5内侧设有沉孔，所述沉孔的孔径略大于所述空心弹簧套管8的外径。所述空心弹簧套管8的一端压在所述调节螺栓4的沉孔内，另一端压在所述末端固定件5的沉孔内。所述钢丝绳索7从所述空心弹簧套管8内穿过，所述钢丝绳索7一端从所述末端固定件5的通孔中伸出，并通过末端锁紧件6锁紧并固定，限制所述钢丝绳索7的末端在轴向方向的移动。所述钢丝绳索7的另一端穿过所述调节螺栓的通孔，经由绳索固定件13的穿孔伸出并缠绕在所述传感器螺杆12上，然后通过所述绳索固定件13和所述传感器螺杆12旋紧，限制住所述钢丝绳索7在测量端的移动。
所述盒盖1盖在所述固定座2上。在本发明中，所述盒盖1包括一体化设计的盖板和线位移保护槽，所述盖板盖在所述固定座2的矩形槽上，所述线位移保护槽安装在所述线位移传感器9外。
在本发明中，通过调整所述调节螺栓4和所述固定座2的矩形槽前部的旋合深度，可以对所述空心弹簧套管8的预紧进行调节。所述预紧可以使所述钢丝绳索7拉紧，防止因所述钢丝绳索7的放松引起的测量的不准确。
当所述钢丝绳索7和所述空心弹簧套管8的弯曲角度发生变化的时候，所述钢丝绳索7在所述空心弹簧套管8内的长度发生变化，所述钢丝绳索7会拖动所述线位移传感器9的拉杆从所述线位移传感器9内拉出，引起所述线位移传感器9的输出信号发生变化，根据所述线位移传感器9的拉杆伸长长度和所述空心弹簧套管8的弯曲角度的对应关系即可得到所述空心弹簧套管8的弯曲角度。因此，将本发明的弯曲角度检测传感器的所述空心弹簧套管8与待测量结构并联布置，则所述空心弹簧套管8的弯曲角度即为待检测结构的弯曲角度。
具体弯曲角度计算如下：
如图4(1)所示，空心弹簧套管是线径为a，外径为b的紧密拉伸弹簧，半径为r的钢丝绳索从长为L的空心弹簧套管内穿过。当空心弹簧套管发生弯曲时，空心弹簧套管的相邻弹簧圈会发生相对旋转，旋转角度为αi，其旋转中心为弹簧圈上一点，由空心弹簧套管的弯曲所引起的钢丝绳索的变化量为xi。
空心弹簧套管整体弯曲角度：
相邻弹簧圈内钢丝绳索的运动关系如图4(2)，当发生相对旋转时，钢丝绳索在空心弹簧套管中的形状为AB，钢丝绳索中心到空心弹簧套管的弹簧圈中心的距离此时钢丝绳索在弹簧圈中的伸长长度为Δl＝AB-a。
O1O2＝a，∠O1OO2＝α，因此则弧长
相邻弹簧圈之间的钢丝绳索长度变化量可以表示为
空心弹簧套管长为L弯曲角度为θ时的钢丝绳索的长度可以表示为：
令令泰勒展开可以得到：
故有因此钢丝绳索的形变量可以表示为：
最后空心弹簧套管整体的弯曲角度可以表示为
其中Δl可以直接由线位移传感器测量所得。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (8)

1.一种弯曲角度检测传感器，其特征在于：包括固定座(2)、线位移传感器(9)、调节螺栓(4)、钢丝绳索(7)、空心弹簧套管(8)以及末端固定件(5)；
在所述固定座(2)上设置有矩形槽，在所述矩形槽前后部分别开设有螺纹孔，所述线位移传感器(9)通过螺纹旋紧固定在所述固定座(2)上，所述线位移传感器(9)的拉杆从所述矩形槽后部的螺纹孔内伸出；
所述调节螺栓(4)内设有中空通孔，所述通孔的孔径大于所述钢丝绳索(7)的直径；所述调节螺栓(4)通过螺纹配合旋紧固定在所述固定座(2)的矩形槽前部位置；
在所述调节螺栓(4)的旋紧端设有沉孔，所述沉孔的孔径大于所述水空心弹簧套管(8)的外径；在所述末端固定件(5)内侧设有沉孔，所述沉孔的孔径大于所述空心弹簧套管(8)的外径；所述空心弹簧套管(8)的一端压在所述调节螺栓(4)的沉孔内，另一端压在所述末端固定件(5)的沉孔内；所述钢丝绳索(7)从所述空心弹簧套管(8)内穿过，一端固定在所述末端固定件(5)上，另一端穿过所述调节螺栓(4)的通孔，固定在所述线位移传感器(9)的拉杆末端上。
2.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：还包括吊环螺母(10)、拉伸弹簧(11)及传感器螺杆(12)；所述吊环螺母(10)通过螺纹旋转固定在所述线位移传感器(9)上；所述线位移传感器(9)的拉杆末端设有螺纹，所述传感器螺杆(12)设有内螺纹，所述传感器螺杆(12)通过螺纹与所述线位移传感器(9)的拉杆末端的螺纹配合并旋紧固定；
两个所述拉伸弹簧(11)对称布置，所述拉伸弹簧(11)两端的拉钩分别固定在所述吊环螺母(10)和所述传感器螺杆(12)上；
在所述传感器螺杆(12)上还通过螺纹设置有绳索固定件(13)，所述绳索固定件(13)内设有穿孔；所述钢丝绳索(7)穿过所述调节螺栓(4)的通孔，经由所述绳索固定件(13)的穿孔伸出并缠绕在所述传感器螺杆(12)上。
3.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：在所述吊环螺母(10)上设有对称分布的耳片，在所述耳片上设置有环形孔；在所述传感器螺杆(12)上设有与所述吊环螺母(10)上的耳片相对应的对称分布的耳片，在所述耳片上设置有环形孔；所述拉伸弹簧(11)两端的拉钩分别固定在所述吊环螺母(10)和所述传感器螺杆(12)的环形孔内。
4.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：所述调节螺栓(4)通过紧固螺母(3)紧固。
5.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：所述末端固定件(5)内设有通孔，所述通孔的孔径略大于所述钢丝绳索(7)的直径；所述钢丝绳索(7)穿过所述空心弹簧套管(8)和所述末端固定件(5)的通孔，通过末端锁紧件(6)锁紧并固定。
6.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：通过调整所述调节螺栓(4)和所述固定座(2)的矩形槽前部的旋合深度，对所述空心弹簧套管(8)的预紧进行调节。
7.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：还包括盒盖(1)，所述盒盖(1)包括一体化设计的盖板和线位移保护槽，所述盖板盖在所述固定座(2)的矩形槽上，所述线位移保护槽安装在所述线位移传感器(9)外。
8.根据权利要求1所述的弯曲角度检测传感器，其特征在于：将所述空心弹簧套管(8)与待测量结构并联布置，根据所述线位移传感器(9)的拉杆伸长长度和所述空心弹簧套管(8)的弯曲角度的对应关系得到所述空心弹簧套管(8)的弯曲角度，即为待检测结构的弯曲角度；
所述线位移传感器(9)的拉杆伸长长度和所述空心弹簧套管(8)的弯曲角度的对应关系如下：
其中，θ为空心弹簧套管的弯曲角度；a为空心弹簧套管线径；r为钢丝绳索的半径；Δl由线位移传感器测量所得。
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