CN113607313B - 基于c形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力‑力矩传感器，该传感器包括连接的固定环、连接环、受力环、斜置C形梁、平置C形梁以及设置在装置内的第一至第八光纤，第一至第八光纤设置有第一至第八光纤光栅；当该装置接触被测对象时，该装置受力使斜置C形梁以及平置C形梁发生形变，同时第一至第八光纤发生形变，进而使第一至第八光纤光栅的中心波长发生漂移，从而得到六维力参数。

Description

基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器。

背景技术

近年来，六维力传感器广泛应用在国防及民用工业的各个领域，其中包括医疗设备、机械制造及其自动化、航空航天及土木工程等方面。六维力传感器的核心部分是其用于感知力变化的弹性体，弹性体的结构是影响传感器维间耦合、灵敏度以及传感器动态性能等关键参数的重要因素。目前，六维力传感器普遍采用基于直梁的弹性体结构，其中包括平面十字交叉梁结构、正交弹性体结构、基于马提斯十字梁型的长杆结构、轮辐结构、非径向三梁结构、E型膜结构、双十字梁组合式结构、双孔平行梁结构、Stewart结构等，而上述结构存在不同程度的各向同性差、维间耦合大等缺点。

早期，六维力传感器的敏感元件多采用电阻应变片，这类传感器抗电磁干扰能力较弱，且存在线性度差、输出信号弱的缺点。基于光纤光栅设计的传感器相比于传统的电阻应变片具有突出优势，如不受电磁干扰、引线较少等，更加适用于各类多场复杂环境。目前，基于光纤光栅设计的六维力传感器多采用粘贴式布置，应变传递率低，难以满足高灵敏、高精度力感知的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，以实现对六维力的精准测量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，该传感器包括固定环、连接环以及受力环，其中，

固定环设置于连接环外围，固定环与连接环间连接有第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁；第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

固定环与第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁的连接处设置有第一光纤固定孔、第二光纤固定孔、第三光纤固定孔以及第四光纤固定孔；对应地，连接环设置有第五光纤固定孔、第六光纤固定孔、第七光纤固定孔以及第八光纤固定孔；

受力环位于连接环上方，连接环与受力环间连接有第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁以及第四斜置C形梁，第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁以及第四斜置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

受力环周向设置有第九光纤固定孔、第十光纤固定孔、第十一光纤固定孔以及第十二光纤固定孔；对应地，连接环设置有第十三光纤固定孔、第十四光纤固定孔、第十五光纤固定孔以及第十六光纤固定孔；

该传感器还包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤，第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤依次设置有第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅；其中第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅一端分别固定于第一光纤固定孔、第二光纤固定孔、第三光纤固定孔、第四光纤固定孔，另一端依次固定于第五光纤固定孔、第六光纤固定孔、第七光纤固定孔、第八光纤固定孔；第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤一端依次固定于第九光纤固定孔、第十光纤固定孔、第十一光纤固定孔、第十二光纤固定孔，另一端依次固定于第十三光纤固定孔、第十四光纤固定孔、第十五光纤固定孔、第十六光纤固定孔；

该传感器中所述固定环、第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁、第四平置C形梁、连接环、第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤构成平置C形梁力感知模块，用于测量绕该传感器的竖轴力矩及横向、纵向力；

所述连接环、第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁、第四斜置C形梁、受力环、第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤构成斜置C形梁力感知模块，用于测量轴向力及绕该传感器的横轴、纵轴的力矩；

所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、第八光纤光栅均处于紧绷悬置状态；所述第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤与所述连接环的外圆面相切，且由切点处向顺时针方向延伸至固定环；第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤沿该传感器轴心周向分布，间隔角度为90°，呈“口”字形分布；所述第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤为纵向设置，沿该传感器轴心周向分布，间隔角度为90°，且第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤与第一至第四光纤呈“L”形分布。

按上述方案，所述第一至第四平置C形梁为半圆柱筒结构的柔性梁，第一至第四平置C形梁的内侧面与所述固定环与连接环相切，内侧面开口朝向为顺时针方向，设置角度间隔为90°。

按上述方案，所述第一至第四斜置C形梁为锐圆心角所对的圆弧板柔性梁，其侧端面与连接端面的夹角为45°，内侧面开口朝向该传感器轴心且为顺时针方向，设置角度间隔为90°。

按上述方案，所述固定环的与第一至第四平置C形梁的连接处下方设置有连接块，用于固定该传感器。

按上述方案，所述受力环的与第一至第四斜置C形梁连接处之间设置有轴向的连接孔，用于将该传感器与被测对象固定。

按上述方案，所述第一至第八光纤光栅为光纤布拉格光栅。

按上述方案，所述第一至第八光纤两端通过胶固定于各光纤固定孔中。

按上述方案，所述固定环、连接环、受力环、第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁、第四平置C形梁、第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁、第四斜置C形梁均为ABS材料通过塑料3D打印机制备。

利用上文所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器实现的六维力监测方法，

S1、当该传感器接触到被测对象时，获得以下参数：轴向力F_z、横向力F_x、纵向力F_y、绕该传感器的竖轴力矩M_z、绕该传感器的横轴力矩M_x以及绕该传感器的纵轴力矩M_y；

其中，当第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁、第四斜置C形梁发生变形时，第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤发生大小相等方向相同的形变，第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、第八光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、八光纤光栅中心波长漂移量的和测得轴向力F_z；

当第二平置C形梁、第四平置C形梁发生变形时，第二光纤、第四光纤发生大小相等方向相反的形变，第二光纤光栅、第四光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第二光纤光栅和第四光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得横向力F_x；

当第一平置C形梁、第三平置C形梁发生变形时，第一光纤、第三光纤发生大小相等方向相反的形变，第一光纤光栅、第三光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第一光纤光栅和第三光纤光栅波长漂移量的差分处理，进而测得纵向力F_y；

当第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁、第四平置C形梁发生变形时，第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤发生大小相等方向相同的形变，第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅中心波长漂移量的和测得绕该传感器的竖轴力矩M_z；

当第二斜置C形梁、第四斜置C形梁发生变形时，第六光纤、第八光纤发生大小相等方向相反的形变，第六光纤光栅、第八光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第六光纤光栅和第八光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得绕该传感器的横轴力矩M_x；

当第一斜置C形梁、第三斜置C形梁发生变形时，第五光纤、第七光纤发生大小相等方向相反的形变，第五光纤光栅、第七光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第五光纤光栅和第七光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得绕该传感器的纵轴力矩M_y；

S2、由于第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅在上述六维力的作用下发生近似线性的变形，通过分析该传感器弹性体的力学模型，得到在六维力作用下各个弹性体C形梁的形变，进而得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅中心波长漂移量与六维力的关系矩阵。

本发明的有益效果是：通过设置的平置C形梁力感知模块以及斜置C形梁力感知模块，实现了对六维力的测量；通过利用光纤作为感知元件，使该传感器具有良好的抗电磁干扰性能；通过采用层积式结构，使该传感器与被测对象的耦合方式更加灵活，具有良好的兼容性；

进一步地，八根光纤通过沿传感器轴心周向均匀布置，使得该传感器具有良好的各向同性；通过采用光纤两端固定使光纤光栅悬置紧绷的方式，使该传感器相较于采用光纤光栅粘贴式的传感器具有更高的灵敏度；

进一步地，通过采用ABS材质使用3D打印技术制造固定环、连接环、受力环、第一至第四平置C形梁以及第一至第四斜置C形梁，使得该传感器结构一体化成型，降低了传感器的制作成本。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器整体结构示意图；

图2为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器局部结构示意图；

图3为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器尺寸示意图；

图4为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器的平置C形梁刚度示意图及力学模型图；

图5为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器的轴向受力力学模型图；

图6为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器的横向受力力学模型图；

图7为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器受绕竖轴力矩力学模型图；

图8为本发明一实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器受绕横轴力矩力学模型图。

图中：1-斜置C形梁，2-光纤光栅，3-平置C形梁，4-连接块，5-固定环，6-连接孔，7-胶，8-受力环，9-连接环，101-第一斜置C形梁，102-第二斜置C形梁，103-第三斜置C形梁，104-第四斜置C形梁，201-第一光纤光栅，202-第二光纤光栅，203-第三光纤光栅，204-第四光纤光栅，205-第五光纤光栅，206-第六光纤光栅，207-第七光纤光栅，208-第八光纤光栅，301-第一平置C形梁，302-第二平置C形梁，303-第三平置C形梁，304-第四平置C形梁。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，该传感器包括固定环5、连接环9以及受力环8，其中，

固定环5设置于连接环9外围，固定环5与连接环9间连接有第一至第四平置C形梁；第一至第四平置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

固定环5与第一至第四平置C形梁的连接处设置有第一至第四光纤固定孔；对应地，连接环9设置有第五和第八光纤固定孔；

受力环8位于连接环9上方，连接环9与受力环8间连接有第一至第四斜置C形梁，第一至第四斜置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

受力环8周向设置有第九至十二光纤固定孔；对应地，连接环9设置有第十三至十六光纤固定孔；

该传感器还包括第一至第八光纤，第一至第八光纤依次设置有第一至第八光纤光栅；其中第一至第四光纤一端固定于第一至第四光纤固定孔，另一端固定于第五至第八光纤固定孔；第五至第八光纤一端固定于第九至十二光纤固定孔，另一端固定于第十三至十六光纤固定孔；

该传感器中固定环5、第一至第四平置C形梁、连接环9以及第一至第四光纤构成平置C形梁力感知模块，用于测量绕该传感器的竖轴力矩及横向、纵向力；

连接环9、第一至第四斜置C形梁、受力环8以及第五至第八光纤构成斜置C形梁力感知模块，用于测量轴向力及绕该传感器的横轴、纵轴的力矩。

进一步地，所述第一至第四平置C形梁为半圆柱筒结构的柔性梁，第一至第四平置C形梁的内侧面与固定环5与连接环9相切，内侧面开口朝向为顺时针方向，设置角度间隔为90°。

进一步地，所述第一至第四斜置C形梁为锐圆心角所对的圆弧板柔性梁，其侧端面与连接端面的夹角为45°，内侧面开口朝向该传感器轴心且为顺时针方向，设置角度间隔为90°。

进一步地，固定环5的与第一至第四平置C形梁的连接处下方设置有连接块4，用于固定该传感器。

进一步地，受力环8的与第一至第四斜置C形梁连接处之间设置有轴向的连接孔6，用于将该传感器与被测对象固定。

进一步地，所述第一至第八光纤光栅为光纤布拉格光栅。

进一步地，所述第一至第八光纤两端通过胶7固定于各光纤固定孔中。

进一步地，所述第一至第八光纤光栅均处于紧绷悬置状态；所述第一至第四光纤与连接环9的外圆面相切，且由切点处向顺时针方向延伸至固定环5；第一至第四光纤沿该传感器轴心周向分布，间隔角度为90°，呈“口”字形分布；所述第五至第八光纤为纵向设置，沿该传感器轴心周向分布，间隔角度为90°，且第五至第八光纤与第一至第四光纤呈“L”形分布。

进一步地，固定环5、连接环9、受力环8、第一至第四平置C形梁以及第一至第四斜置C形梁均为ABS材料通过塑料3D打印机制备。

一种六维力监测方法，其特征在于：

S1、当该传感器接触到被测对象时，获得以下参数：轴向力F_z、横向力F_x、纵向力F_y、绕该传感器的竖轴力矩M_z、绕该传感器的横轴力矩M_x以及绕该传感器的纵轴力矩M_y；

其中，当第一至第四斜置C形梁发生变形时，第五至第八光纤发生大小相等方向相同的形变，第五至第八光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过第五至第八光纤光栅中心波长漂移量的和测得轴向力F_z；

当第二、第四平置C形梁发生变形时，第二、第四光纤发生大小相等方向相反的形变，第二、第四光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第二和第四光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得横向力F_x；

当第一、第三平置C形梁发生变形时，第一、第三光纤发生大小相等方向相反的形变，第一、第三光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第一和第三光纤光栅波长漂移量的差分处理，进而测得纵向力F_y；

当第一至第四平置C形梁发生变形时，第一至第四光纤发生大小相等方向相同的形变，第一至第四光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过第一至第四光纤光栅中心波长漂移量的和测得绕该传感器的竖轴力矩M_z；

当第二、第四斜置C形梁发生变形时，第六、第八光纤发生大小相等方向相反的形变，第六、第八光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第六和第八光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得绕该传感器的横轴力矩M_x；

当第一、第三斜置C形梁发生变形时，第五、第七光纤发生大小相等方向相反的形变，第五、第七光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第五和第七光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得绕该传感器的纵轴力矩M_y；

S2、由于第一至第八光纤光栅在上述六维力的作用下发生近似线性的变形，通过分析该传感器弹性体的力学模型，得到在六维力作用下各个弹性体C形梁的形变，进而得到第一至第八光纤光栅中心波长漂移量与六维力的关系矩阵。

本实施例的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器工作原理如下：

参见图3、图4，当平置C形梁3的B端固定，A端受到切向力F时，其发生两个方向形变，结合材料力学，可知其受力方向及与受力方向垂直方向的形变为：

其中，Δ_U为受力方向的形变，Δ_V为垂直受力方向的形变，θ为积分微元段与固定端的夹角，M(θ)为力F在梁上的弯矩方程，

为单位力1在梁上的弯矩方程，E为传感器材料的弹性模量，I为截面的惯性矩，r为平置C形梁3的半径，b为平置C形梁3的高度，a为平置C形梁3的厚度；

则有：

其中，K_btu为平置C形梁3受切向力时力方向的刚度，K_btv为平置C形梁受3切向力时垂直力方向的刚度；

同理可得平置C形梁受3径向力、轴向力时力方向及垂直力方向的刚度为：

其中，K_bru为平置C形梁3受径向力时力方向的刚度，K_brv为平置C形梁受3受径向力时垂直力方向的刚度，K_bau为平置C形梁受轴向力时力方向的刚度，K_bav为平置C形梁3受轴向力时垂直力方向的刚度，ν为传感器材料的泊松比；

斜置C形梁1径向刚度为K_ar，轴向刚度为K_aa，切向刚度为K_at，三者的值通过ANSYS有限元仿真求解。

参见图5，当该传感器受轴向力F_z作用时，第一至第四斜置C形梁与第一至第四平置C形梁均发生以传感器坐标系为参考的轴向变形，结合结构力学，可知第一至第八光纤光栅在传感器受轴向力F_z作用时产生的以传感器坐标系为参考的轴向变形为：

其中，

为第i光纤光栅以传感器坐标系为参考的轴向形变；

则有：

其中，

为第i光纤光栅由F_z引起的轴向形变；L_b为第一至第四光纤光栅的悬置长度。

参见图6，当该传感器受轴向力F_x作用时，第一至第四斜置C形梁与第一至第四平置C形梁均发生以传感器坐标系为参考的横向或纵向变形，结合结构力学，可知第一至第八光纤光栅以传感器坐标系为参考的形变为：

其中，

为第i光纤光栅在传感器受横向力F_x作用时以传感器坐标系为参考的横向形变；

为第i光纤光栅在传感器受横向力F_x作用时以传感器坐标系为参考的纵向形变；

则有当该传感器受横向力F_x作用时，第一至第八光纤光栅的轴向形变为：

其中，

为第i光纤光栅由横向力F_x引起的轴向形变，L_a为第五至第八光纤光栅的悬置长度；

同理可得，当该传感器受纵向力F_y作用时，第一至第八光纤光栅以传感器坐标系为参考的形变为：

其中，

为第i光纤光栅在传感器受纵向力F_y作用时以传感器坐标系为参考的横向形变；

为第i光纤光栅在传感器受纵向力F_y作用时以传感器坐标系为参考的纵向形变；

则有当该传感器受纵向力F_y作用时，第一至第八光纤光栅的轴向形变为：

参见图7，当该传感器受绕竖轴力矩M_z作用时，第一至第四斜置C形梁与第一至第四平置C形梁均发生以传感器坐标系为参考的横向或纵向变形，结合结构力学，将力矩的作用等效为两对等效力偶，可知第一至第八光纤光栅以传感器坐标系为参考的变形为：

其中，F_ma为M_z作用在第一至第四斜置C形梁的等效力，F_mb为M_z作用在第一至第四平置C形梁的等效力，R_a为斜置C形梁1与受力环8连接处所在圆周的半径，R_b为平置C形梁3与连接环9连接处所在圆周的半径，

为第i光纤光栅受绕竖轴力矩M_z作用产生的以传感器坐标系为参考的横向形变，

为第i光纤光栅在传感器受绕竖轴力矩M_z作用时以传感器坐标系为参考的纵向形变；

则有当该传感器受绕竖轴力矩M_z作用时，第一至第八光纤光栅的轴向形变为：

其中，

为第i光纤光栅由绕竖轴力矩M_z引起的轴向形变。

参见图8，当该传感器受绕横轴力矩M_x作用时，第一至第四斜置C形梁与第一至第四平置C形梁均发生以传感器坐标系为参考的轴向变形；此处采用等效的方法计算M_x引起的形变，在受力环8与第二斜置C形梁连接处上方施加一力F，根据结构力学，其在受力环8中心的等效作用为力F_z和力矩M_x，且有：

则力F与力F_z对传感器结构作用的差即为力矩M_x对传感器结构的作用。当受力环8受力F作用时，为满足受力平衡条件，第一至第四斜置C形梁将对受力环8产生支撑力，依次标记为F₅，F₆，F₇，F₈，且根据结构对称性有F₅＝F₇；由于受力环8在结构受力过程中仅发生刚性转动，故有第一至第四斜置C形梁变形后其顶点在YOZ平面内保持在同一直线；受力环8在外力作用才保持力矩平衡；根据以上条件，得如下方程：

解得：

则有偏心力F对第一至第四斜置C形梁的作用分别为：F/4(向下)、3F/4(向下)、F/4(向下)、F/4(向上)。由前述可知轴向力对第一至第四斜置C形梁的作用是均匀的，即F/4(向下)；规定竖直向上为正方向，则第一至第四斜置C形梁在力矩M_x作用下的受力为：

同理可得，第一至第四平置C形梁在力矩M_x作用下的受力为：

其中，F_i(i＝1,2…8)依次为第一至第四平置C形梁与第一至第四斜置C形梁在力矩M_x作用下的受力；

则有第一至第八光纤光栅在传感器受绕横轴力矩M_x作用时产生的以传感器坐标系为参考的轴向变形为：

其中，

为第i光纤在传感器受绕横轴力矩M_x作用时产生的以传感器坐标系为参考的竖向形变；

则有当该传感器受绕横轴力矩M_x作用时，第一至第八光纤光栅的轴向形变为：

其中，

为第i光纤光栅由绕横轴力矩M_x引起的轴向形变。

同理可得，第一至第八光纤光栅在该传感器受绕纵轴力矩M_y作用时产生的以传感器坐标系为参考的轴向变形为：

其中，

为第i光纤光栅由绕纵轴力矩M_y引起的竖向形变；

则有当该传感器受绕纵轴力矩M_y作用时，第一至第八光纤光栅的轴向形变为：

其中，

为第i光纤光栅由绕纵轴力矩M_y引起的轴向形变。

至此，可得出第一至第八光纤光栅反射谱的中心波长漂移量与六维力的关系矩阵为(忽略温度对中心波长漂移量的影响)：

其中，Δλ为长度为8的列向量，表示第一至第八光纤光栅反射谱的中心波长漂移量，λ(≈1550nm)为第一至第八光纤光栅反射谱的初始中心波长，P_e为光纤纤芯的有效弹光系数，

为长度为8的行向量，表示第一至第八光纤光栅由力F_x引起的轴向形变，

以此类推。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：该传感器包括固定环、连接环以及受力环，其中，

固定环设置于连接环外围，固定环与连接环间连接有第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁；第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

固定环与第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁的连接处设置有第一光纤固定孔、第二光纤固定孔、第三光纤固定孔以及第四光纤固定孔；对应地，连接环设置有第五光纤固定孔、第六光纤固定孔、第七光纤固定孔以及第八光纤固定孔；

受力环位于连接环上方，连接环与受力环间连接有第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁以及第四斜置C形梁，第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁以及第四斜置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

受力环周向设置有第九光纤固定孔、第十光纤固定孔、第十一光纤固定孔以及第十二光纤固定孔；对应地，连接环设置有第十三光纤固定孔、第十四光纤固定孔、第十五光纤固定孔以及第十六光纤固定孔；

该传感器还包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤，第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤依次设置有第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅；其中第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅一端分别固定于第一光纤固定孔、第二光纤固定孔、第三光纤固定孔、第四光纤固定孔，另一端依次固定于第五光纤固定孔、第六光纤固定孔、第七光纤固定孔、第八光纤固定孔；第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤一端依次固定于第九光纤固定孔、第十光纤固定孔、第十一光纤固定孔、第十二光纤固定孔，另一端依次固定于第十三光纤固定孔、第十四光纤固定孔、第十五光纤固定孔、第十六光纤固定孔；

该传感器中所述固定环、第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁、第四平置C形梁、连接环、第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤构成平置C形梁力感知模块，用于测量绕该传感器的竖轴力矩及横向、纵向力；

所述连接环、第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁、第四斜置C形梁、受力环、第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤构成斜置C形梁力感知模块，用于测量轴向力及绕该传感器的横轴、纵轴的力矩；

所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、第八光纤光栅均处于紧绷悬置状态；所述第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤与所述连接环的外圆面相切，且由切点处向顺时针方向延伸至固定环；第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤沿该传感器轴心周向分布，间隔角度为90°，呈“口”字形分布；所述第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤为纵向设置，沿该传感器轴心周向分布，间隔角度为90°，且第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤与第一至第四光纤呈“L”形分布。

2.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述第一至第四平置C形梁为半圆柱筒结构的柔性梁，第一至第四平置C形梁的内侧面与所述固定环与连接环相切，内侧面开口朝向为顺时针方向，设置角度间隔为90°。

3.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述第一至第四斜置C形梁为锐圆心角所对的圆弧板柔性梁，其侧端面与连接端面的夹角为45°，内侧面开口朝向该传感器轴心且为顺时针方向，设置角度间隔为90°。

4.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述固定环的与第一至第四平置C形梁的连接处下方设置有连接块，用于固定该传感器。

5.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述受力环的与第一至第四斜置C形梁连接处之间设置有轴向的连接孔，用于将该传感器与被测对象固定。

6.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述第一至第八光纤光栅为光纤布拉格光栅。

7.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述第一至第八光纤两端通过胶固定于各光纤固定孔中。

8.根据权利要求1所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，其特征在于：所述固定环、连接环、受力环、第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁、第四平置C形梁、第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁、第四斜置C形梁均为ABS材料通过塑料3D打印机制备。

9.利用权利要求1-8任一所述的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器实现的六维力监测方法，其特征在于：

S1、当该传感器接触到被测对象时，获得以下参数：轴向力F_z、横向力F_x、纵向力F_y、绕该传感器的竖轴力矩M_z、绕该传感器的横轴力矩M_x以及绕该传感器的纵轴力矩M_y；

其中，当第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁、第四斜置C形梁发生变形时，第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤发生大小相等方向相同的形变，第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、第八光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、八光纤光栅中心波长漂移量的和测得轴向力F_z；

当第二平置C形梁、第四平置C形梁发生变形时，第二光纤、第四光纤发生大小相等方向相反的形变，第二光纤光栅、第四光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第二光纤光栅和第四光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得横向力F_x；

当第一平置C形梁、第三平置C形梁发生变形时，第一光纤、第三光纤发生大小相等方向相反的形变，第一光纤光栅、第三光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第一光纤光栅和第三光纤光栅波长漂移量的差分处理，进而测得纵向力F_y；

当第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁、第四平置C形梁发生变形时，第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤发生大小相等方向相同的形变，第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅中心波长漂移量的和测得绕该传感器的竖轴力矩M_z；

当第二斜置C形梁、第四斜置C形梁发生变形时，第六光纤、第八光纤发生大小相等方向相反的形变，第六光纤光栅、第八光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第六光纤光栅和第八光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得绕该传感器的横轴力矩M_x；

当第一斜置C形梁、第三斜置C形梁发生变形时，第五光纤、第七光纤发生大小相等方向相反的形变，第五光纤光栅、第七光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，通过对第五光纤光栅和第七光纤光栅中心波长漂移量的差分处理，进而测得绕该传感器的纵轴力矩M_y；

S2、由于第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅在上述六维力的作用下发生近似线性的变形，通过分析该传感器弹性体的力学模型，得到在六维力作用下各个弹性体C形梁的形变，进而得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅中心波长漂移量与六维力的关系矩阵。

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