CN113188705A - 一种基于光路阻隔法的小型力传感器及六轴力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光路阻隔法的小型力传感器及六轴力传感器，该小型力传感器包括通过弹性件间隔堆叠连接的承载件和光传导件，承载件上设有光阻隔件，光传导件具有光通道，光通道设置有与光阻隔件对应的隔断口，光阻隔件的自由端插入隔断口内。该六轴力传感器为上下结构，其上层结构为至少三小型力传感器组成，其下层至少为三个小型力传感器组成，上下结构共用光传导件，上下结构的弹性件呈相反的螺旋弯曲设置。当承载件受不同外力作用时，能够带动光阻隔件的自由端端部在隔断口内移动和/或偏转来对光通道的光传输产生不同的干扰，这样就能够根据对光的干扰来确定小型力传感器及六轴力传感器的所受的力和力矩。

Description

一种基于光路阻隔法的小型力传感器及六轴力传感器
技术领域
本发明涉及力传感器的技术领域，特别涉及一种基于光路阻隔法的小型力传感器以及六轴力传感器。
背景技术
随着科学技术的发展，传感器作为设备感知外界信息的基础，受到了越来越多的重视。力敏传感器作为支撑工业过程自动化的四大传感器之一，被广泛用于各工业生产部门和科学实验研究中，力敏元件及传感器品种规格繁多，其中，六轴力传感器是其中一个重点的研究的热点，在机器人领域具备广泛的应用前景。
六轴力传感器就是一种能够同时检测3个轴向(X轴、Y轴和Z轴)力分量和3个轴向力矩分量的力传感器，目前仍处于发展阶段，在结构设计和对所测力分量的敏感程度均存在一定的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提供一种基于光路阻隔法的小型力传感器，其结构小巧且灵敏度高。
为实现上述目的，本发明提出的基于光路阻隔法的小型力传感器，包括间隔堆叠设置的承载件和光传导件，所述承载件通过受力易变形的弹性件连接在所述光传导件上；
所述承载件上设有向光传导件延伸的光阻隔件，所述光传导件具有光通道，所述光通道设置有与所述光阻隔件对应的隔断口，所述光阻隔件的自由端插入所述隔断口内；
所述承载件受外力作用时，所述弹性件发生形变，使得所述承载件相对所述光传导件产生移动和/或偏转，从而带动所述光阻隔件的自由端端部在所述隔断口内移动和/或偏转来干扰光在光通道中的传输。
可选地，所述弹性件为弹性层、刚性柔顺结构或者弹簧。
可选地，无外力作用下，所述光阻隔件的自由端端面与所述隔断口的中心面重合，阻塞所述隔断口的上半部分。
可选地，所述光通道的出口设有用于接收光信息的检测器。
可选地，所述检测器为光电二极管、图像传感器或光谱测量器中的任意一种。
可选地，所述光通道内设有光传输件，所述承载件受外力作用时，所述光阻隔件的自由端端部在隔断口内偏转和/或移动来挤压所述光传输件，阻碍光在所述光传输件中的传输。
根据本发明提供的小型力传感器，通过将承载件和光传导件间隔堆叠设置的，并采用受力易变形的弹性件将承载件连接在光传导件上。并在承载件上设有向光传导件延伸的光阻隔件，在光传导件设置光通道，在光通道设置与光阻隔件对应的隔断口，并使得光阻隔件的自由端插入所述隔断口内。
当承载件受外力作用时，根据受力的不同，弹性件发生不同程度和形式的变形，使得承载件相对光传导件产生移动和/或偏转，从而带动光阻隔件在隔断口内移动和/或偏转来干扰光在光通道中的传输。不同受力状态下光阻隔件对光在光通道内的产生不同的干扰，由此就能够通过在光通道的出口采集的光信息来确定传感器的受力情况，并根据采集的光信息来确定所受力/力矩的大小。具体地，根据光阻隔件轴向移动对光的干扰，能够确定传感器在Z轴上的力Fz；根据光阻隔件的在Y轴方向上前后偏转对光的干扰，能够确定传感器在X轴上力矩Mx，或者根据光阻隔件的在X轴方向上左右偏转对光的干扰，能够确定传感器在X轴上力矩My。
且，由于光阻隔件在光通道的隔断口内的细微移动和/或偏转都能够对光通道内的光造成不同程度的干扰，因此能够有效保证小型力传感器的灵敏度和精度。
同时，本发明还提出了一种基于光路阻隔法的小型六轴力传感器，包括沿Z轴依次间隔堆叠设置的上层承载件、下层承载件以及光传导件，所述上层承载件通过受力易变形且具有支撑作用的上层弹性件连接在所述下层承载件上，所述下层承载件通过受力易变形且具有支撑作用的下层弹性件连接在所述光传导件上；
所述上层弹性件和下层弹性件均包括至少三个沿所述下层承载件的周向均匀分布的弹性支腿，每一弹性支腿均为刚性柔顺结构且呈螺旋弯曲设置，且所述上层弹性件的弹性支腿与所述下层弹性件的弹性支腿的螺旋弯曲方向相反；
每一弹性支腿上设置相应的光阻隔件，所述上层弹性件的光阻隔件沿Z轴穿过所述下层承载件向所述光传导件延伸，所述下层弹性件的光阻隔件沿Z轴向所述光传导件延伸；
所述光传导件具有光通道，所述光通道设置有与所述光阻隔件对应的隔断口，所述光阻隔件的自由端插入其对应的隔断口内；
所述上层承载件和下层承载件受外力作用时，所述上层弹性件和所述下层发生形变，使得所述上层承载件和所述下层承载件相对所述光传导件产生移动和/或偏转，从而带动所述光阻隔件的自由端端部在所述隔断口内移动和/或偏转来干扰光在光通道中的传输。
可选地，所述上层弹性件的光阻隔件与所述下层弹性件的光阻隔件成对设置，所述光传导件上对应每对光阻隔件设置对应的光通道，所述光通道的入口位于其对应的光阻隔件对的间隔区域，其两出口位于光阻隔件对的外侧。
可选地，所述光通道的出口沿Z轴朝下设置，所述光通道的出口设置接收光信息的检测器。
可选地，所述上层承载件和下层承载件的中心具有固定孔位。
根据本发明提供的小型六轴力传感器，通过设置上下间隔堆叠设置上层承载件和下层承载件，并在下层承载件的下方设置光传导件，并在上层承载件与下侧承载件设置上层弹性件，在下侧承载件与光传导件设置下层弹性件。其中，上层弹性件和下层弹性件均包括至少三个沿下层承载件的周向均匀分布的弹性支腿，每一弹性支腿均为刚性柔顺结构且呈螺旋弯曲设置，且上层弹性件的弹性支腿与下层弹性件的弹性支腿的螺旋弯曲方向相反。在每一弹性支腿上设置相应的光阻隔件，上层弹性件的光阻隔件沿Z轴穿过下层承载件向光传导件延伸，下层弹性件的光阻隔件沿Z轴向光传导件延伸。光传导件具有光通道，光通道设置有与光阻隔件对应的隔断口，光阻隔件的自由端插入其对应的隔断口内。
由此，在传感器的上层形成至少三个小型传感单元，在传感器的下层形成至少三个小型传感单元。由于上层的三个小型传感单元不位于同一直线上，当传感器收到XY轴上的力矩Mx和/或My，能够通过上层的小型传感单元采集的光信息确定传感器上层受到的力矩Mx与My。同样地，也能够通过下层的小型传感单元采集的光信息来确定传感器下层结构XY轴上受到的弯矩Mx和或My。
且，当传感器被施加X轴或Y轴上侧向力Fx或Fy时，由于传感器的上层承载件和下层承载件存在一个高度差，在传感器的上层和下层产生不同的力矩，形成力矩差，结合力矩差和高度差就能够确定传感器上所受的侧向力Fx和Fy。
且，通过将上层弹性件和下层弹性件进行相反的螺旋弯曲设置，使得传感器收到力矩Mz时上层弹性件和下层弹性件发生相反的伸缩变形，导致上层和下层采集的光信息具有差值，从而就能够通过该差值来确定传感器所受的力矩Mz。
由此，通过本发明提供的小型六轴力传感器，就能够确定传感器在六个维度上的力/力矩。
并且，传感器整体采用堆叠设计，能够实现六轴力传感器的小型化，从而适用于医疗器械或精密仪器，如心脏导管、肾导管或脑导管，为医疗器械或精密仪器提供力反馈功能。
附图说明
图1为本发明小型力传感器第一实施例在不同受力状态下的传感原理图；
图2为本发明小型力传感器第二实施例的传感原理图；
图3为本发明小型力传感器第三实施例的传感原理图；
图4为本发明小型力传感器第三实施例在不同受力状态下从光通道的出口采集的出口图像示意图；
图5为本发明小型力传感器第四实施例的传感原理图；
图6为本发明小型六轴力传感器一实施例的结构示意图；
图7为本发明小型六轴力传感器一实施例中经标定矩阵计算后的实施力与测量力的对比结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
实施例1
请参阅说明书附图1，在本发明实施例提出了一种基于光路阻隔法的小型力传感器，能够用于确定传感器所受的轴向力Fz和力矩(Mx、My)。具体地，该小型力传感器包括间隔堆叠设置的承载件100和光传导件200，承载件100用于承受施加在传感器上的外力，其通过受力易变形且具有支撑作用的弹性件300连接在光传导件200上。
在承载件100上设有向光传导件200延伸的光阻隔件400，光传导件200具有光通道210，光通道210设置有与光阻隔件400对应的隔断口211，光阻隔件400的自由端插入隔断口211内。为便于实施，本实施例中的光阻隔件400与承载件100采用一体设置。
当承载件100受外力作用时，弹性件300能够将承载件100所受的力转换为自身的形变位移量，并通过光阻隔件400将该形变位移量作用在光通道210的隔断口211内，进一步转换为对光在光通道210内的阻塞干扰，由此就能够通过采集光通道210出口的光信息来确定对应作用在承载件100上的外力。
另外，弹性件300还能够起到弹簧的作用，减少迟滞；并且还可通过调整弹性件300刚度来改变各弹性件300对外力的感应范围，实现对不同范围的力/力矩的确定。
在本实施例中，根据受力的不同，弹性件300发生不同程度和形式的变形，使得承载件100相对光传导件200产生移动和/或偏转，从而带动光阻隔件400在隔断口211内移动和/或偏转来干扰光在光通道210中的传输。不同受力状态下光阻隔件400对光在光通道210内产生不同的干扰，因此就能够根据采集光通道210出口的光信息来确定承载件100所受力/力矩。
具体地，如图1所示，当向承载件100施加一个竖直向下的轴向力时，承载件100压缩弹性件300，使得光阻隔件400进一步在光通道210的隔断口211内下移，阻塞光在穿传输通道内传输，使得从光通道210的出口采集的光信息收到干扰，由此，通过采集出口的光信息就能够确定对应施加在承载件100上的轴向力。
当向承载件100施加一个力矩Mx，会使得光阻隔件400在隔断口211内发生沿Y轴向左/右偏转，从而使得从光通道210的出口采集的光信息发生变化，通过采集变化后的光信息就能够确定相应施加在承载件100上的力矩Mx。同样地，当向承载件100施加一个力矩My会使得光阻隔件400在隔断口211内发生沿X轴向前/后偏转，并通过采集变化后的光信息就能够确定相应施加在承载件100上的力矩My。
且，由于光阻隔件400在光通道210的隔断口211内的细微移动和/或偏转都能够对光通道210内的光造成不同程度的干扰，因此能够有效保证小型力传感器的灵敏度和精度。
在本实施例中，该光信息可以为光强、光频率、光颜色以及光通道210出口处采集的光阻隔件400自由端端面界线在隔断口211内的位置变化图像。
可选地，在本实施例中，该弹性件300可以采用弹性层、刚性柔顺结构、弹簧以及其他受力易变形的物理构件。其中，刚性柔顺结构指的是由刚性材料经加工形成的特殊结构，此类结构的受力形变量大于一般刚体，其在受力后会在弹性极限内发生较大形变。
可选地，在本实施例中，光阻隔件400的自由端向光通道210的隔断口211延伸。在无外力作用下，光阻隔件400的自由端端面与隔断口211的中心面重合，阻塞隔断口211的上半部分。通过将光阻隔件400设计在隔断口211的中心面，能够初始光干扰，方便后期对采集的光信息进行数据处理。
实施例2
请参阅说明书附图2，在本发明实施例提出了一种基于光路阻隔法的小型力传感器，该小型力传感器包括间隔堆叠设置的承载件100和光传导件200，承载件100通过受力易变形且具有支撑作用的弹性件(图中未示出)连接在光传导件200上。在承载件100上设有与其一体设置且向光传导件200延伸的光阻隔件400，光传导件200具有光通道210，光通道210设置有与光阻隔件400对应的隔断口，光阻隔件400的自由端插入隔断口内。
在光通道210的入口侧设置有光源发生器600，该光源发生器600可以是发光二极管或者激光设备。在光通道210的出口侧设置用于接收光信息的检测器700a，该检测器700a采用的是光电二极管。光电二极管能够将采集光通道210出口侧的光强度值，并根据光强度值来产生不同的输出电压。
由此，根据不同外力作用下光电二极管输出的电压值，先构建电压值与外力F的函数，该函数可以由试验标准标定得出，标定函数所绘制的函数曲线如图2中的图表T1部分所示。如图表T1所示，当施加的力从负值增加到正值时，输出电压从正电压降低到负电压。在实际的应用中，根据该函数以及实际采集的电压值来确定对应施加在传感器上的力。
在本实施例中，通过采用光电二极管来测量受力，其优点在于测量频率块，且易于传感器整体小型化。
实施例3
请参阅说明书附图3-4，上实施例2的基础上，在本发明实施例还提出另一一种基于光路阻隔法的小型力传感器，与实施例2不同是，本实施例中检测器700b采用的是CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器能够测量因施加外力而产生的光强变化、光频率变化、光颜色变化、以及光阻隔件400自由端端面界线在隔断口内的位置变化图像等光信息。基于这些采集的光信息，构建对应光信息与力的标定函数，再根据标定函数和实际采集的光信息来计算传感器实际所受的外力。
在本实施例中，该光信息选用的是光强度。具体地，通过CMOS图像传感器采集光通道210出口截面的RGB图像，将该RGB图像转换为二值图或者灰度图，然后根据图像中像素值来计算光信道的光强度值。根据不同外力作用下计算所得的光强度值，构建光强度值与外力F的函数，函数由试验标准标定得出，根据得到函数所绘制的函数曲线如图3中的图表T2部分所示。如T2所示，当施加的力从负值增加到正值时，得出的光强度值逐渐减小。在实际的应用中，根据该函数以及实际计算的光强度值来确定对应施加在传感器上的力。
此外，该光信息也可以选择除光强度外的光特性变化，例如光阻隔件400自由端端面界线在隔断口内的位置变化图像。
具体地，通过CMOS图像传感器采集光通道210出口截面的RGB图像，并将该RGB图像转换为二值图。如图4所示，图中各个虚线框中的圆形图像表示不同受力状态下，根据CMOS图像传感器采集的RGB转换而来的二值图，各圆形图形中黑色区域即表示被光阻隔件400阻塞的部分，黑色区域的下边界线即为光阻隔件400自由端端面在出口截面的投影，计算黑色区域的下边界线到圆形图像水平中心分割线的位移。根据不同外力作用下计算所得的位移，构建位移与外力F的函数，函数由试验标准标定得出，根据得到函数所绘制的函数曲线如图4中的图表T3部分所示。如T3所示，当施加的力从负值增加到正值时，得出位移由负转正。在实际的应用中，根据该函数以及实际计算的位移来确定对应施加在传感器上的力。
此外，还可以通过CMOS图像传感器来采集光频率变化、光颜色变化来计算传感器的受力情况，其基本的原理与上述通过光强度以及边界位置变化图像来确定相应受力相同，在此不详细赘述。
在其他的一些具体实施例中，该检测器还可以采用相机或者光谱测量器。相机可测量因施加外力而产生的光强及光频率变化来确定相应的外力，光谱测量仪则可测量因施加外力产生的光频率变化来确定相应的外力。
实施例4
请参阅说明书附图5，在上述实施例1的基础上，在本发明实施例还提出了一种基于光路阻隔法的小型力传感器，与实施例1不同的是，在光通道210内设置有光传输件500，该光传输件500自光通道210的入口穿入，从光通道210的出口穿出。光传输件500可以是任何光传输材料形成导光件，如光纤、光波、图像光纤。
在承载件100受外力作用时，光阻隔件400的自由端端部在隔断口211内偏转和/或移动来挤压光传输件500，阻碍光在光传输件500中的传输。
在本实施例中，通过在光通道210内设置光传输件500能够提高光传播的稳定性，提高对传感器所受力检测的准确性。在设置光传输件500后，传感器所受的力/力矩检测方法不变，仍根据光通道210中的光干扰来确定。
实施例5
请参阅说明书附图6，在本发明实施例还提出了一种基于光路阻隔法的六轴力传感器，该六轴力传感器应用于灵活的医疗器械800，如心脏导管肾导管或脑导管，为医疗器械提供力反馈功能。
具体地，该六轴力传感器包括沿Z轴依次间隔堆叠设置的上层承载件100a、下层承载件100b以及光传导件200，上层承载件100a通过受力易变形且具有支撑作用的上层弹性件300a连接在下层承载件100b上，下层承载件100b则通过受力易变形且具有支撑作用的下层弹性件300b连接在光传导件200上。通过采用堆叠设计，能够实现六轴力传感器的小型化，从而适用于医疗器械或精密仪器，如心脏导管、肾导管或脑导管，为医疗器械或精密仪器提供力反馈功能。
在本实施例中，该上层弹性件300a和下层弹性件300b均由三个沿传感器承的周向均匀分布的弹性支腿组成，每一弹性支腿均为刚性柔顺结构且呈螺旋弯曲设置，且上层弹性件300a的弹性支腿与下层弹性件300b的弹性支腿的螺旋弯曲方向相反。具体地，上层弹性件300a的弹性支腿呈正螺旋弯曲设置，下层弹性件300b的弹性支腿呈反螺旋弯曲设置。
上层弹性件300a的弹性支腿上设置相应的光阻隔件400a，下层弹性件300b的弹性支腿上设置相应的光阻隔件400b，上层弹性件300a的光阻隔件400a沿Z轴穿过下层承载件100b向光传导件200延伸，下层弹性件300b的光阻隔件400b沿Z轴向光传导件200延伸。
光传导件200具有光通道(未图示)，该光通道设置有与光阻隔件(400a、400b)对应的隔断口(未图示)，光阻隔件(400a、400b)的自由端插入隔断口内。
在本实施例中，上层弹性件300a的光阻隔件400a与下层弹性件300b的光阻隔件400b成对设置，形成光阻隔件对。光传导件200上对应每对光阻隔件设置对应的光通道，每一光通道的入口位于其对应的光阻隔件对的间隔区域，其两出口位于光阻隔件对的外侧。
在上层承载件100a和下层承载件100b的中心位置开设固定孔位(未图示)，用于插接ESD电刀等医疗工具。
在本实施例中，上层承载件100a、上层弹性件300a、下层弹性件300b以及光传导件200构成三个位于上层的小型力传感单元。而下层承载件100b、下层弹性件300b和光传导件200构成三个位于下层的小型力传感单元。
当固定在上层承载件100a和下层承载件100b的医疗工具向传感器施加作用力时，会带动光阻隔件(400a、400b)在光通道的隔断口内移动或者偏转，改变光在光通道内的传输。通过采集不同受力状态下的各个光通道出口输出的光信息，就能够确定传感器在六个维度上所受的力/力矩。
具体地，当传感器受到轴向力Fz时，通过采集各个光通道出口的光信息的平均变化值来确定轴向力Fz。
当传感器受到力矩Fz时，由于上层弹性件300a和下层弹性件300b呈相反的螺旋弯曲设置，传感器收到力矩Mz时上层弹性件300a和下层弹性件300b发生发生相反的伸缩变形，导致上层和下层采集的光信息具有差值，从而就能够通过该差值来确定传感器所受的力矩Mz。
当传感器收到XY轴上的力矩Mx或者My时，由于上层的三个小型传感单元不位于同一直线上，能够通过上层的小型传感单元采集的光信息确定传感器上层受到的力矩Mx与My。同样地，也能够通过下层的小型传感单元采集的光信息来确定传感器下层结构XY轴上受到的力矩Mx和或My。在本实施例中，以上层收到的力矩Mx和My作为传感器所受的Mx和My。
当传感器收到XY轴上的侧向力Fx或者Fy，由于传感器的上层承载件100a和下层承载件100b存在一个高度差，在传感器的上层和下层产生不同的力矩，形成力矩差，结合力矩差和高度差就能够确定传感器上所受的侧向力Fx和Fy。
为便于理解，下面对Mx、My、Mz、Fx、Fy以及Fz的计算原理作进一步补充。
1、Mx、My及Fz
如图6所示，该传感器拥有上层结构与下层结构，每层结构均可以进行三轴的力/力矩(Mx、My、Fz)的测量，其中，上层结构测量的力/力矩记为：Mx上层、My上层、Fz上层，下层结构测量得到的力/力矩记为：Mx下层、My下层、Fz下层。Mx上层、My上层、Fz上层、Mx下层、My下层以及Fz下层的计算方式由下列公式给出：
Mx下层＝KMx下层×[γL1γL2γL3]T————(1)
My下层＝KMy下层×[γL1γL2γL3]T————(2)
Fz下层＝KFz下层×[γL1γL2γL3]T————(3)
Mx上层＝KMx上层×[γL4γL5γL6]T————(4)
My上层＝KMy上层×[γL4γL5γL6]T————(5)
Fz上层＝KFz上层×[γL4γL5γL6]T————(6)
其中γL1、γL2、γL3为上层结构中三个上层小型传感单元检测的光强度值，γL4、γL5、γL6为下层结构中三个下层小型传感单元检测的光强度值。KMx上层、KMy上层、KFz上层、KMx下层、KMy下层以及KFz下层为包含三个参数的1x3矩阵，以KMx上层为例，其表达式为：
KMx上层＝[k1Mx上层k2Mx上层k3Mx上层]————(7)
其中，k1Mx上层、k1Mx上层、k3Mx上层为上层三个小型传感单元在力矩Mx作用下标定得出参数。其与的K均采用相同地方式得到。
由此，通过采集各个光通道出口光强度γi(i＝1、2、3、4、5、6)作为计算传感器所受外力的自变量，再结合校准矩阵KMx上层、KMy上层、KFz上层、KMx下层、KMy下层以及KFz下层，就能够计算出传感器上层结构和下层结构收到的Mx上层、My上层、Fz上层、Mx下层、My下层以及Fz下层。
具体地，在实施例中，上层结构与固定在传感器本体(即本实施例中提供的六轴力传感器整体)上的医疗工具更近，其收到的力矩Mx上层和My上层与传感器本体实际所受的力矩Mx和My更加接近，基本相等。因此，以上层结构所受力矩Mx上层和My上层作为传感器本体所受的力矩Mx和My。
同时，上层结构和下层结构在同轴，上层结构所受的Fz上层和下层机构所受的Fz下层基本相等。为降低误差，传感器本体所受的力Fz取上层结构和下层结构的平均值，即：
Fz＝(Fz上层+Fz下层)/2————(8)
2、Fx、Fy及Mz
上层小型传感单元的高度记为hU，下层小型传感单元的高度记为hL，hU、hL均可事先测定，为已知量。
当传感器X轴或Y轴上施加力时，会在传感器的上层结构和下层结构分别产生力矩Mx和My，根据力矩的基本计算公式，上层结构和下层结构受到的Mx和My可以分别表示为：
Mx上层＝hU×Fy————(9)
My上层＝hU×Fx————(10)
Mx下层＝hL×Fy————(11)
My下层＝hL×Fx————(12)
上层结构与下层结构的力矩差：
ΔMx＝Mx下层-Mx上层＝(hL-hU)×Fy————(13)
上层结构与下层结构的力矩差：
ΔMy＝My下层-My上层＝(hL-hU)×Fx————(14)
在此，上层结构和下层结构上的力矩Mx上层、My上层、Mx下层和My下层结合前述计算公式(1)、(2)、(3)以及(5)得出，这样就能够确定出ΔMx和ΔMy。再结合力矩差(13)和(14)计算公式，就能够得到：
Fx＝ΔMy/(hL-hU)————(15)
Fy＝ΔMx/(hL-hU)————(16)
从而，就能够计算出传感器所受的Fx和Fy。
当传感器受到Z轴上的力矩Mz时，由于上层弹性件300a和下层弹性件300b采用的是相反的螺旋弯曲设计，上层小型传感单元和下层小型传感单元产生相反的高度变化。对传感器施加一正向力矩(沿Z轴向上)，使得上层小型传感单元的高度增加而下层小型传感单元的高度减小。因此，Mz的大小可以由上层与下层受到的力矩不同而计算得出，公式如下所示：
Mz＝Kz×((γL1+γL2+γL3)-(γL4+γL5+γL6))————(17)
如图7所示，该图示出了三组不同的实施力与经过标定矩阵计算后的测量力的对比研究结果，其中，虚线表示实施力，实线表示实测力。根据这三组试验结果，可以看出光路阻隔传感方法能够适用于3轴或6轴力或力矩传感器等小型化多轴力传感器，且误差小，平均力或力矩误差在3％左右。
可选地，在本实施例中，每一光通道的出口沿Z轴朝下设置，并在各光通道的出口设置接收光信息的检测器，检测器选用CMOS图像传感器。通过将每个光通道的出口统一朝下设置，使得能够将各光通道输出的光信息值集中在光传导件200下方的一个平面上。由此，通过在光传导件200的下方设置一能够覆盖所有光通道出口的CMOS图像传感器，就能够记录下所有光通道出口输出的光强度值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光路阻隔法的小型力传感器，其特征在于，包括间隔堆叠设置的承载件和光传导件，所述承载件通过受力易变形的弹性件连接在所述光传导件上；
所述承载件上设有向光传导件延伸的光阻隔件，所述光传导件具有光通道，所述光通道设置有与所述光阻隔件对应的隔断口，所述光阻隔件的自由端插入所述隔断口内；
所述承载件受外力作用时，所述弹性件发生形变，使得所述承载件相对所述光传导件产生移动和/或偏转，从而带动所述光阻隔件的自由端端部在所述隔断口内移动和/或偏转来干扰光在光通道中的传输。
2.如权利要求1所述的基于光路阻隔法的小型力传感器，其特征在于，所述弹性件为弹性层、刚性柔顺结构或者弹簧。
3.如权利要求1所述的基于光路阻隔法的小型力传感器，其特征在于，无外力作用下，所述光阻隔件的自由端端面与所述隔断口的中心面重合，阻塞所述隔断口的上半部分。
4.如权利要求1所述的基于光路阻隔法的小型力传感器，其特征在于，所述光通道的出口设有用于接收光信息的检测器。
5.如权利要求4所述的基于光路阻隔法的小型力传感器，其特征在于，所述检测器为光电二极管、图像传感器或光谱测量器中的任意一种。
6.如权利要求1-5任意一项所述的基于光路阻隔法的小型力传感器，其特征在于，所述光通道内设有光传输件，所述承载件受外力作用时，所述光阻隔件的自由端端部在隔断口内偏转和/或移动来挤压所述光传输件，阻碍光在所述光传输件中的传输。
7.一种基于光路阻隔法的小型六轴力传感器，其特征在于，包括沿Z轴依次间隔堆叠设置的上层承载件、下层承载件以及光传导件，所述上层承载件通过受力易变形且具有支撑作用的上层弹性件连接在所述下层承载件上，所述下层承载件通过受力易变形且具有支撑作用的下层弹性件连接在所述光传导件上；
所述上层弹性件和下层弹性件均包括至少三个沿所述下层承载件的周向均匀分布的弹性支腿，每一弹性支腿均为刚性柔顺结构且呈螺旋弯曲设置，且所述上层弹性件的弹性支腿与所述下层弹性件的弹性支腿的螺旋弯曲方向相反；
每一弹性支腿上设置相应的光阻隔件，所述上层弹性件的光阻隔件沿Z轴穿过所述下层承载件向所述光传导件延伸，所述下层弹性件的光阻隔件沿Z轴向所述光传导件延伸；
所述光传导件具有光通道，所述光通道设置有与所述光阻隔件对应的隔断口，所述光阻隔件的自由端插入其对应的隔断口内；
所述上层承载件和下层承载件受外力作用时，所述上层弹性件和所述下层发生形变，使得所述上层承载件和所述下层承载件相对所述光传导件产生移动和/或偏转，从而带动所述光阻隔件的自由端端部在所述隔断口内移动和/或偏转来干扰光在光通道中的传输。
8.如权利要求7所述的基于光路阻隔法的小型六轴力传感器，其特征在于，所述上层弹性件的光阻隔件与所述下层弹性件的光阻隔件成对设置，所述光传导件上对应每对光阻隔件设置对应的光通道，所述光通道的入口位于其对应的光阻隔件对的间隔区域，其两出口位于光阻隔件对的外侧。
9.如权利要求8所述的基于光路阻隔法的小型六轴力传感器，其特征在于，所述光通道的出口沿Z轴朝下设置，所述光通道的出口设置接收光信息的检测器。
10.如权利要求7-9任意一项所述的基于光路阻隔法的小型六轴力传感器，其特征在于，所述上层承载件和下层承载件的中心具有固定孔位。
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