CN110779651B - 一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多维力传感技术领域,具体公开了一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,包括上弹性盘、下弹性盘、传力柱及光纤光栅组件;上弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅰ及位于空腔中的平面应变梁Ⅰ,平面应变梁Ⅰ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅰ;下弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅱ及位于空腔中的平面应变梁Ⅱ,平面应变梁Ⅱ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅱ;传力柱的下端垂直连接在平面应变梁Ⅱ的中心、上端从通孔Ⅰ穿出,且传力柱与通孔Ⅰ之间间隙配合;光纤光栅组件包括第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅及第四光纤光栅。本发明可抗电磁干扰、耐腐蚀、降低维间耦合、增大灵敏度,同时能实现温度补偿,其结构简单,易于加工。
Description
技术领域
本发明涉及多维力传感技术领域,尤其涉及一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器。
背景技术
多维力传感器是机器人最重要的传感器之一,它对机器人的柔度、力、远程操作等控制的反馈起到关键作用。安装于机器人腕部、指尖、脚踝等关节处的多维力传感器,用来感知机器人受外部环境力作用时的空间信息,使得机器人更好的认识环境,以便准确完成相应工作,如:轮廓跟踪、零力示教、抓放或搬运工件等。
目前,现有的多维力传感器大多采用电阻应变片作为传感元件,其所用数量多达十多个,甚至数十个,导致接线复杂、存在较强电磁干扰,例如CN 105973521 A所示;另外,传统多维力传感器结构复杂,导致维间耦合较大,且应变梁多为传统矩形梁,导致传感器灵敏度较低。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,可抗电磁干扰、耐腐蚀、降低维间耦合、增大灵敏度,同时能实现温度补偿,其结构简单,易于加工。
本发明提供了一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,包括上弹性盘、下弹性盘、传力柱及光纤光栅组件;
所述上弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅰ及位于空腔中的平面应变梁Ⅰ,所述平面应变梁Ⅰ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅰ,四个所述分支梁Ⅰ的外端均连接于盘体Ⅰ内壁,所述平面应变梁Ⅰ的中心设有用于供传力柱穿过的通孔Ⅰ;
所述下弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅱ及位于空腔中的平面应变梁Ⅱ,所述平面应变梁Ⅱ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅱ,四个所述分支梁Ⅱ的外端均连接于盘体Ⅱ内壁,所述盘体Ⅰ与盘体Ⅱ之间通过支撑组件相连接,所述平面应变梁Ⅱ平行于平面应变梁Ⅰ设置且四个分支梁Ⅱ分别对应设于四个分支梁Ⅰ的正下方;
所述传力柱为可沿径向弯曲及轴向伸缩的弹性立柱结构,传力柱的下端垂直连接在平面应变梁Ⅱ的中心、上端从通孔Ⅰ穿出,且传力柱与通孔Ⅰ之间间隙配合;
所述光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅及第四光纤光栅,所述第一光纤光栅、第二光纤光栅分别连接在平面应变梁Ⅰ的相垂直的两个分支梁Ⅰ上,所述第三光纤光栅悬浮置于盘体Ⅰ与盘体Ⅱ之间,所述第四光纤光栅连接在一分支梁Ⅱ上并位于第二光纤光栅正下方。
作为一种优选的技术方案,所述盘体Ⅰ与平面应变梁Ⅰ为一体结构且采用弹性材料制成。
作为一种优选的技术方案,所述盘体Ⅱ与平面应变梁Ⅱ为一体结构且采用弹性材料制成。
作为一种优选的技术方案,所述分支梁Ⅰ和分支梁Ⅱ均为相同的工字梁结构。
作为一种优选的技术方案,四个所述分支梁Ⅰ的内端连接处形成中心圆台Ⅰ,所述通孔Ⅰ与中心圆台Ⅰ同轴设置。
作为一种优选的技术方案,四个所述分支梁Ⅱ的内端连接处形成中心圆台Ⅱ,所述中心圆台Ⅱ同轴设置有第一螺孔,所述传力柱的下端设有与第一螺孔配合螺接的第一螺纹部。
作为一种优选的技术方案,所述第一光纤光栅、第二光纤光栅分别粘贴于相应分支梁Ⅰ的上表面且靠近平面应变梁Ⅰ的中心设置,所述第四光纤光栅粘贴于分支梁Ⅱ的上表面且靠近平面应变梁Ⅱ的中心设置。
作为一种优选的技术方案,该传感器还包括用于承受载荷的加载帽,所述加载帽内设有第二螺孔,所述传力柱的上端设有与第二螺孔配合螺接的第二螺纹部,所述加载帽与传力柱连接稳固后与平面应变梁Ⅰ之间具有设定间距。
作为一种优选的技术方案,所述支撑组件包括四根刚性结构的支撑杆,四根支撑杆沿周向均匀设置且其上端固定于盘体Ⅰ、下端固定于盘体Ⅱ。
作为一种优选的技术方案,所述盘体Ⅰ上设有与各支撑杆一一对应的第三螺孔,所述支撑杆的上端同轴伸入第三螺孔并螺纹连接;所述盘体Ⅱ上设有与各支撑杆一一对应的通孔Ⅱ,所述支撑杆的下端同轴伸入通孔Ⅱ并通过位于通孔Ⅱ上下两端的螺母定位;所述盘体Ⅱ上位于相邻两通孔Ⅱ之间还设有用于安装传感器的安装孔。
与现有技术相比,本发明提供的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器具有以下有益技术效果:
第一,本发明利用光纤光栅波长漂移量作为传感器的输出信号,与以电压作为输出信号的传统电阻变式三维力传感器相比,具有抗电磁干扰、较强的耐腐蚀性及无零漂移等优点;
第二,本发明所使用的四根光纤光栅构成三组光纤光栅的中心波长差值作为传感器的输出信号,可以实现温度自补偿,从而解决了温度、应变交叉敏感问题;
第三,本发明使用四根光纤光栅作为传感器的敏感元件,与传统电阻应变式三维力传感器所使用的十几个电阻应变片相比,大大减少了传感器敏感元件的数量,解决电阻应变片数量过多导致接线复杂的问题;
第四,上弹性盘与下弹性盘上下分离的结构,可消除竖向方向对横向、纵向方向的干扰,有效降低了多维传感器的维间耦合;
第五,弹性盘与下弹性盘均为一体式十字梁结构,可降低传感器重复性误差;
第六,分支梁Ⅰ与分支梁Ⅱ均为工字梁结构,提高了传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的主视图;
图2为本发明的左视图;
图3为本发明的上弹性盘的俯视图;
图4为本发明的下弹性盘的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述;显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示:本实施例提供了一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,包括上弹性盘1、下弹性盘2、传力柱3及光纤光栅组件。
所述上弹性盘1包括内设有空腔12的盘体Ⅰ11及位于空腔12中的平面应变梁Ⅰ,所述平面应变梁Ⅰ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅰ13,四个所述分支梁Ⅰ13的外端(远离的平面应变梁Ⅰ中心的一端)均连接于盘体Ⅰ11内壁,所述平面应变梁Ⅰ的中心设有用于供传力柱3穿过的通孔Ⅰ14;盘体Ⅰ11优选为圆环结构;四个分支梁Ⅰ13位于同一平面,相邻的分支梁Ⅰ13互相垂直;所述盘体Ⅰ11与平面应变梁Ⅰ为一体结构且采用弹性材料(例如弹性铝合金)制成,可降低传感器重复性误差;其中,分支梁Ⅰ13为工字梁结构,可提高传感器的灵敏度。
所述下弹性盘2包括内设有空腔22的盘体Ⅱ21及位于空腔22中的平面应变梁Ⅱ,所述平面应变梁Ⅱ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅱ23,四个所述分支梁Ⅱ23的外端(远离的平面应变梁Ⅱ中心的一端)均连接于盘体Ⅱ21内壁,所述盘体Ⅰ11与盘体Ⅱ21之间通过支撑组件相连接,所述平面应变梁Ⅱ平行于平面应变梁Ⅰ设置且四个分支梁Ⅱ23分别对应设于四个分支梁Ⅰ13的正下方;盘体Ⅱ21优选为圆环结构;四个分支梁Ⅱ23位于同一平面,相邻的分支梁Ⅱ23互相垂直;所述盘体Ⅱ21与平面应变梁Ⅱ为一体结构且采用弹性材料(例如弹性铝合金)制成,可降低传感器重复性误差;其中,分支梁Ⅱ23为工字梁结构,可提高传感器的灵敏度。
所述传力柱3为可沿径向弯曲及轴向伸缩的弹性立柱结构,传力柱3的下端垂直连接在平面应变梁Ⅱ的中心、上端从通孔Ⅰ14穿出,且传力柱3与通孔Ⅰ14之间间隙配合;四个所述分支梁Ⅰ13的内端连接处形成中心圆台Ⅰ,所述通孔Ⅰ14与中心圆台Ⅰ15同轴设置,中心圆台Ⅰ15的内径大于分支梁Ⅰ13的厚度,提高平面应变梁Ⅰ的结构强度;传力柱3与通孔Ⅰ14之间具有适当的间隙;四个所述分支梁Ⅱ23的内端连接处形成中心圆台Ⅱ24,中心圆台Ⅱ24的内径大于分支梁Ⅱ23的厚度,提高平面应变梁Ⅱ的结构强度,同时提高传力柱3的连接稳固度;所述中心圆台Ⅱ24同轴设置有第一螺孔25,所述传力柱3的下端设有与第一螺孔25配合螺接的第一螺纹部,便于传力柱3的安装和拆卸。
所述光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2、第三光纤光栅FBG3及第四光纤光栅FBG4,所述第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2分别连接在平面应变梁Ⅰ的相垂直的两个分支梁Ⅰ13上,所述第三光纤光栅FBG3悬浮置于盘体Ⅰ11与盘体Ⅱ21之间,所述第四光纤光栅FBG4连接在一分支梁Ⅱ23上并位于第二光纤光栅FBG2正下方。第一光纤光栅FBG1的尾端光纤与第二光纤光栅FBG2的首端光纤连接,第二光纤光栅FBG2的尾端光纤与第三光纤光栅FBG3的上端光纤连接,第三光纤光栅FBG3的下端光纤与第四光纤光栅FBG4的首端光纤连接,第一光纤光栅FBG1的首端光纤从传感器上方穿出,第四光纤光栅FBG4的尾端光纤从传感器下方穿出并可用于与外部解调设备相连。
本传感器利用光纤光栅波长漂移量作为传感器的输出信号,与以电压作为输出信号的传统电阻变式三维力传感器相比,具有抗电磁干扰、较强的耐腐蚀性及无零漂移等优点;所使用的四根光纤光栅构成三组光纤光栅的中心波长差值作为传感器的输出信号,可以实现温度自补偿,从而解决了温度、应变交叉敏感问题;使用四根光纤光栅作为传感器的敏感元件,与传统电阻应变式三维力传感器所使用的十几个电阻应变片相比,大大减少了传感器敏感元件的数量,解决电阻应变片数量过多导致接线复杂的问题;上弹性盘1与下弹性盘2上下分离的结构,可消除竖向方向对横向、纵向方向的干扰,有效降低了多维传感器的维间耦合。
本实施例中,所述第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2分别粘贴于相应分支梁Ⅰ13的上表面且靠近平面应变梁Ⅰ的中心设置,所述第四光纤光栅FBG4粘贴于分支梁Ⅱ23的上表面且靠近平面应变梁Ⅱ的中心设置,该结构有利于提高传感器的检测精度。
本实施例中,该传感器还包括用于承受载荷的加载帽4,所述加载帽4内设有第二螺孔,所述传力柱3的上端设有与第二螺孔配合螺接的第二螺纹部,所述加载帽4与传力柱3连接稳固后与平面应变梁Ⅰ之间具有设定间距(例如1~2mm)。
本实施例中,盘体Ⅰ11与盘体Ⅱ21之间也保持特定间距的平行状态,所述支撑组件包括四根刚性结构的支撑杆5,四根支撑杆5沿周向均匀设置(相邻的支撑杆5相隔90°)且其上端固定于盘体Ⅰ11、下端固定于盘体Ⅱ21;所述盘体Ⅰ11上设有与各支撑杆5一一对应的第三螺孔16,所述支撑杆5的上端同轴伸入第三螺孔16并螺纹连接;所述盘体Ⅱ21上设有与各支撑杆5一一对应的通孔Ⅱ26,所述支撑杆5的下端同轴伸入通孔Ⅱ26并通过位于通孔Ⅱ26上下两端的螺母6定位;所述盘体Ⅱ21上位于相邻两通孔Ⅱ26之间还设有用于安装传感器的安装孔27。
在传感器特定位置粘贴光纤光栅,利用光纤光栅波长漂移量作为输出来检测三维力。为便于理解,图1与图2中构建了三维坐标系,以下弹性盘2底面圆心为坐标原点O,x轴、y轴为相垂直的两分支梁Ⅱ23的延伸方向,z轴为传力柱3的轴向(同时也是上弹性盘1、下弹性盘2的对称中心线方向)。
其中,第一光纤光栅FBG1与第三光纤光栅FBG3波长漂移量差值用于测量Fx;第二光纤光栅FBG2与第三光纤光栅FBG3波长漂移量差值用于测量Fy;第四光纤光栅FBG4与第三光纤光栅FBG3波长漂移量差值用于测量Fz。
具体地,传感器测量原理如下:
当x方向力Fx作用于加载帽4时,传力柱3会向x方向弯曲,上弹性盘1通过传力柱3弯曲作用,使布置于x方向的分支梁Ⅰ13发生弹性形变,导致第一光纤光栅FBG1波长发生漂移,而且由环境温度变换导致光纤光栅波长漂移情况相同,采用同时受温度和应变影响的第一光纤光栅FBG1波长漂移量与只受温度影响的第三光纤光栅FBG3波长漂移量之间的差值作为传感器测量Fx的输出信号,同时实现温度补偿;
当y方向力Fy作用于加载帽4时,传力柱3会向y方向弯曲,上弹性盘1通过传力柱3弯曲作用,使布置于y方向的分支梁Ⅰ13发生弹性形变,导致第二光纤光栅FBG2波长发生漂移,而且由环境温度变换导致光纤光栅波长漂移情况相同,采用同时受温度和应变影响的第二光纤光栅FBG2波长漂移量与只受温度影响的第三光纤光栅FBG3波长漂移量之间的差值作为传感器测量Fy的输出信号,同时实现温度补偿;
当z方向力Fz作用于加载帽4时,传力柱3会向z移动,由于传力柱3与上弹性盘1的通孔Ⅰ14间隙配合,当受z方向力作用时,上弹性盘1布置的第一光纤光栅FBG1和第二光纤光栅FBG2波长不发生漂移,而下弹性盘2的第一螺孔25与传力柱3螺纹连接,故只有第四光纤光栅FBG4波长发生漂移,从而消除x、y方向对z方向的耦合影响,以达到降低传感器维间耦合的目的;采用第四光纤光栅FBG4和第三光纤光栅FBG3的波长漂移量差值作为测量Fz的输出信号,同时实现温度补偿。
以上所述的仅是本发明的实施例,方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准,说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:包括上弹性盘、下弹性盘、传力柱及光纤光栅组件;
所述上弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅰ及位于空腔中的平面应变梁Ⅰ,所述平面应变梁Ⅰ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅰ,四个所述分支梁Ⅰ的外端均连接于盘体Ⅰ内壁,所述平面应变梁Ⅰ的中心设有用于供传力柱穿过的通孔Ⅰ;
所述下弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅱ及位于空腔中的平面应变梁Ⅱ,所述平面应变梁Ⅱ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅱ,四个所述分支梁Ⅱ的外端均连接于盘体Ⅱ内壁,所述盘体Ⅰ与盘体Ⅱ之间通过支撑组件相连接,所述平面应变梁Ⅱ平行于平面应变梁Ⅰ设置且四个分支梁Ⅱ分别对应设于四个分支梁Ⅰ的正下方;
所述传力柱为可沿径向弯曲及轴向伸缩的弹性立柱结构,传力柱的下端垂直连接在平面应变梁Ⅱ的中心、上端从通孔Ⅰ穿出,且传力柱与通孔Ⅰ之间间隙配合;
所述光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅及第四光纤光栅,所述第一光纤光栅、第二光纤光栅分别连接在平面应变梁Ⅰ的相垂直的两个分支梁Ⅰ上,所述第三光纤光栅悬浮置于盘体Ⅰ与盘体Ⅱ之间,所述第四光纤光栅连接在一分支梁Ⅱ上并位于第二光纤光栅正下方;
四个所述分支梁Ⅰ的内端连接处形成中心圆台Ⅰ,所述通孔Ⅰ与中心圆台Ⅰ同轴设置;四个所述分支梁Ⅱ的内端连接处形成中心圆台Ⅱ,所述中心圆台Ⅱ同轴设置有第一螺孔,所述传力柱的下端设有与第一螺孔配合螺接的第一螺纹部。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:所述盘体Ⅰ与平面应变梁Ⅰ为一体结构且采用弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:所述盘体Ⅱ与平面应变梁Ⅱ为一体结构且采用弹性材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:所述分支梁Ⅰ和分支梁Ⅱ均为相同的工字梁结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:所述第一光纤光栅、第二光纤光栅分别粘贴于相应分支梁Ⅰ的上表面且靠近平面应变梁Ⅰ的中心设置,所述第四光纤光栅粘贴于分支梁Ⅱ的上表面且靠近平面应变梁Ⅱ的中心设置。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:该传感器还包括用于承受载荷的加载帽,所述加载帽内设有第二螺孔,所述传力柱的上端设有与第二螺孔配合螺接的第二螺纹部,所述加载帽与传力柱连接稳固后与平面应变梁Ⅰ之间具有设定间距。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:所述支撑组件包括四根刚性结构的支撑杆,四根支撑杆沿周向均匀设置且其上端固定于盘体Ⅰ、下端固定于盘体Ⅱ。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器,其特征在于:所述盘体Ⅰ上设有与各支撑杆一一对应的第三螺孔,所述支撑杆的上端同轴伸入第三螺孔并螺纹连接;所述盘体Ⅱ上设有与各支撑杆一一对应的通孔Ⅱ,所述支撑杆的下端同轴伸入通孔Ⅱ并通过位于通孔Ⅱ上下两端的螺母定位;所述盘体Ⅱ上位于相邻两通孔Ⅱ之间还设有用于安装传感器的安装孔。
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