CN113029418B - 多维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器领域，具体涉及一种多维力传感器，旨在解决现有多维力传感器维间耦合程度高、不具备柔性特性、成本高、工艺复杂等问题。本发明多维力传感器包括依次连接的顶盖、感应单元和壳体，所述底壳与顶盖之间形成有容纳空间；光源和光敏传感器组分别装设于顶盖和壳体的两相对面，光敏传感器组与光源相间分布。光敏传感器的光敏区域接收光源的光；当有力或力矩作用于壳体和顶盖之间时，光敏传感器接收到的光强会不同程度的变化。本发明多维力传感器可以通过将感应单元设置为柔性材料以实现将传感器设计成柔性器件，传感器维间耦合低、结构简单、制作成本低、易于批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种多维力传感器。
背景技术
多维力传感器可以获取施力物体和接触物体在三维空间内的复杂力信息；特别地，在多维力传感器中，六维力传感器可以获取全力信息。多维力传感器在机器人感知、自主控制、智能医疗等领域具有广阔的应用前景。随着机器人智能程度的提高，其在与人交互的场景中应用越来越广。
现有多维力传感器研究主要集中在刚性传感器，且多数采用应变片实现对多维力的感知。现有多维传感器或是存在维间耦合明显，给各维力的辨识带来难度的问题。或是结构复杂，制作成本高。另外现有传感器无法设计成柔性器件，人机交互感差，不适合用于与人直接接触的应用场合，例如医疗器械领域。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中多维力传感器维间耦合程度高、不具备柔性特性、成本高、工艺复杂等问题，本发明提供了一种多维力传感器包括依次连接的顶盖、感应单元和壳体，所述感应单元位于所述壳体与所述顶盖形成的容纳空间内，其中：
所述容纳空间内还设置有沿所述感应单元周向均匀分布地若干个光源、光敏传感器组和径向遮光板，所述光源数量与所述光敏传感器组数量相同；
所述光源和所述光敏传感器组分别装设于所述顶盖和所述壳体的两相对面，所述遮光板用于将所述容纳空间均匀分隔成若干个测量空间，阻挡非相邻区域的光传入相应测量空间内。各所述光敏传感器组均匀分布于各所述测量空间内，各所述光源均匀设置于所述遮光板正上方；
所述光源为至少发出两种光信号的发光体，所述光敏传感器组包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均为对至少两种光信号敏感的光敏感元件，所述第一传感器与所述第二传感器的敏感光信号不同，所述光信号包括波长或颜色；
所述光敏传感器组通过检测光照强度变化以检测所述多维力传感器所受的力和/或力矩的方向和大小。
在一些优选技术方案中，所述遮光板的高度小于所述壳体底部与所述顶盖之间的高度。
在一些优选技术方案中，所述壳体包括底壳和外壳，所述外壳为柔性波纹管状结构。
在一些优选技术方案中，所述底壳、所述感应单元和所述顶盖中心在一条轴线上。所述光源以及所述光敏传感器设置在所述容纳空间中；所述光源沿所述顶盖下平面均匀分布，所述光敏传感器沿所述底壳上平面均匀分布；
在一些优选技术方案中，所述光源设置有至少两种不同颜色，所述光源和所述光敏传感器组的数量至少为两个。
在一些优选技术方案中，各所述光源绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；各所述光敏传感器组绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；所述光源的个数为两个，所述光敏传感器组的个数为两个。此种设置方式可以检测四维力信息。增加光源和光敏传感器组的数量可增加对不同力的检测个数。
在一些优选技术方案中，各所述光源绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；各所述光敏传感器组绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；所述光源的个数为四个，所述光敏传感器组的个数为四个。此种设置方式可以检测六维力信息。
在一些优选技术方案中，所述传感器底壳为壳状结构，所述感应单元为方体结构或圆柱体结构，所述顶盖为片状结构。
在一些优选技术方案中，在所述光源间或所述光敏传感器组之间可以设置遮光板，所述遮光板为片状结构。
在一些优选技术方案中，所述光源设置有用于调节亮度的调节电路。
在一些优选技术方案中，所述多维力传感器还包括处理器模块，所述处理器模块的输入端口与所述光敏传感器的输出端口连接。
在一些优选技术方案中，所述感应单元的材质为刚性不透光材料制成或柔性不透光材料制成。
在一些优选技术方案中，所述感应单元为柔性可拉伸材料制成。
在一些优选技术方案中，所述感应单元的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或橡胶。
在一些优选技术方案中，所述感应单元由硬质塑料制成。
在一些优选技术方案中，所述顶盖、所述底壳、所述外壳均为不透光材质制成。
在一些优选技术方案中，所述顶盖和所述壳体外部设置有安装孔或涂敷有柔性防滑材料以满足刚性安装或柔性安装方式。
本发明的有益效果：
1)本发明所公开的多维力传感器利用光电效应实现对作用力和作用力矩的检测，对环境的抗干扰能力强。
2)本发明所公开的多维力传感器可通过选择不同光源和光敏传感器组的数目实现不同维数力的测量。
3)本发明所公开的多维力传感器可通过选择不同材料的感应元件制作成为硬质传感器或柔性传感器。
4)本发明所公开的多维力传感器的生产工艺简单，物料成本低。
5)本发明所公开的多维力传感器的安装环境多样，可广泛应用于多种不同的领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种优选实施例的多维力传感器整体结构示意图；
图2是本发明第一种实施例的多维力传感器的爆炸示意图；
图3是本发明第一种实施例的多维力传感器的部分剖视图；
图4是本发明第一种实施例的光源与光敏传感器组的位置关系示意图；
图5是本发明第二种实施例的多维力传感器的爆炸示意图；
图6是本发明第二种实施例的多维力传感器的部分剖视图；
图7是本发明第二种实施例的光源与光敏传感器组的位置关系示意图。
附图标记说明：
1、顶盖；2、外壳；3、底壳；4、第一光源；5、第二光源；6、第三光源；7、第四光源；8、感应单元；9、第一遮光板；10、第二遮光板；11、第三遮光板；12、第四遮光板；13、第一光敏传感器；14、第二光敏传感器；15、第三光敏传感器；16、第四光敏传感器；17、第五光敏传感器；18、第六光敏传感器；19、第七光敏传感器；20、第八光敏传感器。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
以下参照附图结合第一种实施例进一步说明本发明。
参见图1-4，本发明公开了一种多维力传感器，包括顶盖1和壳体，其中，壳体为上方开口的腔室结构，其包括外壳2和底壳3。顶盖1和壳体围成容纳空间，该容纳空间内设置有光源、感应单元、遮光板、光敏传感器组。
其中，感应单元的两端分别与顶盖和壳体连接，光源和光敏传感器组分别装设于顶盖和壳体的两相对面，即光源装设于顶盖下底面，光敏传感器组装设于底壳的上表面，进一步地，若干个遮光板装设于壳体内，其沿感应单元周向均匀径向分布，将容纳空间均匀分隔为若干个测量空间，可以理解的是，遮光板为薄片结构，其用于阻挡非相邻区域的光传入该测量空间内。各光敏传感器组均匀分布于各测量空间内，光敏传感器组的设置方式灵活，每个光敏传感器组均包含两个敏感光信号互不相同的光敏传感器，具体地，光敏传感器组包括第一光敏传感器和第二光敏传感器，第一光敏传感器和第二光敏传感器均为对至少两种光信号敏感的光敏感元件，第一光敏传感器与第二光敏传感器的敏感光信号不同，所述光信号包括波长和/或颜色；各光源均匀设置于遮光板的正上方，各光敏传感器的光敏区域通过检测光照强度变化以检测本申请多维力传感器所受的力和/或力矩的方向和大小。
优选地，底壳3和顶盖1的外轮廓呈圆板状，感应单元8的外轮廓呈圆柱状，在底壳和顶盖中开有安装孔便于安装，或者涂敷有柔性防滑材料，该设置使得本申请能够满足刚性安装或柔性安装方式，可以理解的是，本申请多维力传感器通过底壳3和/或顶盖1安装，因此其受力点在顶盖1和/或底壳3上，外壳2不受力。
本发明的安装及应用方式主要包括以下场景：当感应单元设置为硬质刚性材料时，传感器可应用于机器人关节力测量、智能控制系统等；当感应单元设置为柔性材料时，传感器可应用于康复医疗、遥操作、人机交互系统等。
底壳3、感应单元8和顶盖1优选采用粘接的连接方式。在底壳3、感应单元8和顶盖1外套有外壳2，外壳2外轮廓为叠状圆柱形即波纹管状结构，以方便沿折叠伸缩方向压缩。外壳2上端与顶盖1粘接、下端与底壳3粘接。
具体的，本申请的第一种实施例设置光源和光敏传感器组的数量均为两个。光源包括两种不同波长(或不同颜色)的光。如，第一光源4和第三光源6分别为红光源和紫光源。第一光源4和第三光源6别固定于顶盖下平面且位于感应单元8两侧。
遮光板呈长方体片状，第一遮光板9和第三遮光板11固定于底壳上平面且位于感应单元8两侧，且在竖直方向上，分别位于第一光源4和第三光源6的正下方，遮光板的高度小于底壳3与顶盖1之间的垂向高度，以使得光源发出的光能够被光敏传感器接收。
两个对不同颜色光敏感光敏传感器组成光敏传感器组。如，第一光敏传感器13对红光敏感对紫光不敏感，第二光敏传感器14对紫光敏感而对红光不敏感。第一光敏传感器13和第二光敏传感器14组成第一光敏传感器组；同理，第五光敏传感器17和第六光敏传感器18组成第二光敏传感器组。第一光敏传感器组和第二光敏传感器组分别固定于底壳3上平面且位于感应单元8两相对侧，且两个光敏传感器组连线方向与遮光板安装位置相垂直。
优选地，底壳3和顶盖1采用硬质不透光材料，外壳2采用柔性不透光材料，感应单元8可视使用场景选择不同硬度不透光材料，其材质可以为刚性不透光材料制成或柔性不透光材料制成。即，感应单元可选择由硬质不透光塑料制成，或者由柔性可拉伸材料制成，例如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或橡胶。
下面对本实施例进行解释。
假设第一光源4和第三光源6所发出的光度相同，均为I，在传感器没有受到力的作用时，第一光敏传感器13、第二光敏传感器14、第五光敏传感器17、第六光敏传感器18所接受的照度E均为
其中a为光源、光敏传感器到中心轴线的距离；h为光源所在平面与光敏传感器所在平面之间的距离。
因光敏传感器接受的照度与其输出信号(电流或电压)存在确定的函数关系，因此本申请不再进一步将照度E转化为传感器输出值。下文中直接建立光敏传感器接受照度与所受力的关系。
当多维力传感器受到z轴方向压力Fz时，第一光敏传感器13、第二光敏传感器14、第五光敏传感器17、第六光敏传感器18所接受的照度E均为
其中E为感应单元8的杨氏模量；A为感应单元8的横截面积。
反之，若第一光敏传感器13、第二光敏传感器14、第五光敏传感器17、第六光敏传感器18所接受的照度为E，则传感器所受力为z轴方向压力Fz，且Fz大小为
式(3)为式(2)的反函数，下文中不再进行这样的反函数表示，便可说明多维力传感器所受力F可通过各光敏传感器所接受的照度为E表示。
当多维力传感器受到z轴方向扭矩Mz时，第一光敏传感器13、第五光敏传感器17所接受的照度E为
第二光敏传感器14、第六光敏传感器18所接受的照度E为
其中G为感应单元8的剪切模量；D为感应单元8的横截面半径。
当多维力传感器受到x轴方向推力Fx时，设此时感应单元在x轴方向等效弹簧刚度为kx,则第二光敏传感器14、第五光敏传感器17所接受的照度E均为
第一光敏传感器13、第六光敏传感器18所接受的照度E均为
当多维力传感器受到y轴方向推力Fy时，设此时感应单元在y轴方向等效弹簧刚度为ky,则第一光敏传感器13、第二光敏传感器14所接受的照度E均为
第五光敏传感器17、第六光敏传感器18所接受的照度E均为
由此可知，本申请各光敏传感器能够通过检测光照强度以检测多维力传感器所受力、力矩的大小。
进一步地，本申请各光敏传感器还能够通过检测光照强度的变化以检测多维力传感器所受力、力矩的方向。具体地，光敏传感器所接受照度变化与所受力、力矩的方向的对应关系如下表所示。
表一
其中+表示接受光的照度增加，-代表接受光的照度减小。
式(1)-式(9)以及表一说明不同大小的四种力Fz、Mz、Fx、Fy均能引起多维力传感器输出不同信号。即可以通过多维力传感器输出信号判断其受何种力以及力的大小和方向。
以下参照附图5-7对本发明第二种实施例进一步说明。
第二种实施例与第一种实施例不同之处在于设置的光源、挡板以及光敏传感器的数量与位置的不同。
具体的，光源包括两种不同波长(或不同颜色)的光。如，第一光源4和第三光源6设置为红光源；第二光源5和第四光源7设置为紫光源。第一光源4、第二光源5、第三光源6、第四光源7别固定于顶盖下平面且均匀分布于感应单元8四周。
第一遮光板9、第二遮光板10、第三遮光板11、第四遮光板12分别固定于底壳上平面且均匀分布于感应单元8四周，且在竖直方向上，分别位于第一光源4、第二光源5、第三光源6、第四光源7的正下方。
两个对不同颜色光敏感光敏传感器组成光敏传感器组。如，第一光敏传感器13对红光敏感对紫光不敏感，第二光敏传感器14对紫光敏感而对红光不敏感。第一光敏传感器13和第二光敏传感器14组成第一光敏传感器组；同理，第五光敏传感器17和第六光敏传感器18组成第二光敏传感器组；同理，第三光敏传感器15和第四光敏传感器16组成第三光敏传感器组；同理，第七光敏传感器19和第八光敏传感器20组成第四光敏传感器组。第一光敏传感器组、第二光敏传感器组、第三光敏传感器组、第四光敏传感器组分别固定于底壳上平面且均匀分布于感应单元8四周，且光敏传感器组与挡板相间分布。
下面对本实施例进行解释。
假设各光源(第一光源4、第二光源5、第三光源6、第四光源7)所发出的光度相同，均为I，在传感器没有受到力的作用时，各光敏传感器(第一光敏传感器13、第二光敏传感器14、第三光敏传感器15、第四光敏传感器16、第五光敏传感器17、第六光敏传感器18、第七光敏传感器19、第八光敏传感器20)所接受的照度E均为
其中a为光源、光敏传感器到中心轴线的距离；h为光源所在平面与光敏传感器所在平面之间的距离。
当多维力传感器受到z轴方向压力Fz时，各光敏传感器所接受的照度E均为
其中E为感应单元8的杨氏模量；A为感应单元8的横截面积。
当多维力传感器受到z轴方向扭矩Mz时，第一光敏传感器13、第三光敏传感器15、第五光敏传感器17、第七光敏传感器19所接受的照度E为
第二光敏传感器14、第四光敏传感器16、第六光敏传感器18、第八光敏传感器20所接受的照度E为
其中G为感应单元8的剪切模量；D为感应单元8的横截面半径。
当多维力传感器受到x轴方向推力Fx时，设此时感应单元在x轴方向等效弹簧刚度为kx,第四光敏传感器16、第五光敏传感器17所接受的照度E为
第一光敏传感器13、第八光敏传感器20所接受的照度E均为
第二光敏传感器14、第七光敏传感器19所接受的照度E均为
第三光敏传感器15、第六光敏传感器18所接受的照度E均为
当多维力传感器受到x轴方向扭矩Mx时，第一光敏传感器13、第四光敏传感器16、第五光敏传感器17、第八光敏传感器20所接受的照度不变，而第六光敏传感器18、第七光敏传感器19所接受的照度E为
第二光敏传感器14、第三光敏传感器15所接受的照度E为
当多维力传感器受到y轴方向推力Fy时，设此时感应单元在y轴方向等效弹簧刚度为ky,第六光敏传感器18、第七光敏传感器19所接受的照度E为
第二光敏传感器14、第三光敏传感器15所接受的照度E均为
第一光敏传感器13、第四光敏传感器16所接受的照度E均为
第五光敏传感器17、第八光敏传感器20所接受的照度E均为
当多维力传感器受到y轴方向扭矩My时，第二光敏传感器14、第三光敏传感器15、第六光敏传感器18、第七光敏传感器19所接受的照度不变，而第一光敏传感器13、第八光敏传感器20所接受的照度E为
第四光敏传感器16、第五光敏传感器17所接受的照度E为
式(11)-式(25)说明多维力传感器所受不同大小的六维力均能引起多维力传感器输出不同信号。即可以通过多维力传感器输出信号判断其受何种力以及力的大小和方向。
由此可知，本申请各光敏传感器能够通过检测光照强度以检测多维力传感器所受力、力矩的大小。
进一步地，本申请各光敏传感器还能够通过检测光照强度的变化以检测多维力传感器所受力、力矩的方向。具体地，光敏传感器所接受照度变化与所受力、力矩的方向的对应关系如下表所示。
表二
表中+表示接受光的照度增加，-代表接受光的照度减小，0代表接受光的照度不变。
可以理解的是，本申请的光源和光敏传感器组的数量至少为两个，上述两种实施例为本申请的优选实施例，本申请还包括第三种实施例，即在第一种实施例的基础上增加一个光敏传感器组和一个光源以实现对六维力的测量。该实施例相比上述第一种实施例的区别在于：增加一个光敏传感器和一个光源，并设置三个遮光板将容纳空间分隔为三个测量空间，同时布置三个不同颜色的光源和六个由三种不同光敏传感器组成的三组光敏传感器组以对本申请多维力传感器进行检测。具体而言，三组光敏传感器组中共包括六个光敏传感器，六个光敏传感器中两两相同共计三种互不相同光信号敏感的光敏感元件，其中同组中的两个光敏传感器彼此光信号敏感度不同，各组光敏传感器组之间的光敏传感器交错设置。例如：六个光敏传感器包括两个对红光敏感对黄光和蓝关都不敏感的光敏传感器，两个对黄光敏感对红光和蓝光都不敏感的光敏传感器以及两个对蓝光敏感对红光和黄光都不敏感的光敏传感器，六个光敏传感器两两一组构成三组光敏传感器组，同组光敏传感器组中的光敏传感器彼此光信号敏感度互不相同，三组光敏传感器组均匀分布于三个测量空间内，三个光源分别布置于三个遮光板的正上方。该设置同样能够使得本申请为六维力传感器，该实施例的维间耦合大于上述第二种实施例。具体原理同上类似，在此不再赘述。
需要说明的是，本申请的光敏传感器数量应不小于待测量力的维数。参阅本申请的第一种实施例，其包括两组光敏传感器组，即四个光敏传感器，能够测量四维力/力矩的大小及方向；本申请的第二种实施例，其包括四组光敏传感器组，即八个光敏传感器，用于测量六维力/力矩的大小及方向；本申请的第三种实施例，其包括三组光敏传感器组，即六个光敏传感器，用于测量六维力/力矩的大小及方向。
综上所述，在多维力传感器受到不同大小、方向的力或力矩作用时，光敏传感器发生不同的响应变化，在光敏传感器外接电路的情况下，可以根据光敏传感器的响应推测传感器所受力或力矩的大小和方向，即可以对全力信息进行检测。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“垂直”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多维力传感器，包括依次连接的顶盖、感应单元和壳体，所述感应单元位于所述壳体与所述顶盖形成的容纳空间内，其特征在于，
所述容纳空间内还设置有沿所述感应单元周向均匀分布地若干个光源、光敏传感器组和径向遮光板，所述光源数量与所述光敏传感器组数量相同，所述感应单元的材质不透光；
所述光源和所述光敏传感器组分别装设于所述顶盖和所述壳体的两相对面，所述遮光板用于将所述容纳空间均匀分隔成若干个测量空间，各所述光敏传感器组均匀分布于各所述测量空间内，各所述光源均匀设置于所述遮光板正上方；
所述光源为至少发出两种光信号的发光体，所述光敏传感器组包括第一光敏传感器和第二光敏传感器，所述第一光敏传感器和所述第二光敏传感器均为对至少两种光信号敏感的光敏感元件，所述第一光敏传感器与所述第二光敏传感器的敏感光信号不同，所述光信号包括波长或颜色；
各所述光敏传感器组通过检测光照强度变化以检测所述多维力传感器所受的力和/或力矩的方向和大小。
2.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述遮光板的高度小于所述壳体底部与所述顶盖之间的高度。
3.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述感应单元的材质为刚性不透光材料制成或柔性不透光材料制成。
4.根据权利要求3所述的多维力传感器，其特征在于，所述感应单元为柔性可拉伸材料制成。
5.根据权利要求4所述的多维力传感器，其特征在于，所述感应单元的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或橡胶。
6.根据权利要求3所述的多维力传感器，其特征在于，所述感应单元由硬质塑料制成。
7.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述壳体包括底壳和外壳，所述外壳为柔性波纹管状结构。
8.根据权利要求7所述的多维力传感器，其特征在于，所述顶盖、所述底壳、所述外壳均为不透光材质制成。
9.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述光源和所述光敏传感器组的数量至少为两个。
10.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述顶盖和所述壳体外部设置有安装孔或涂敷有柔性防滑材料以满足刚性安装或柔性安装方式。
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