CN113701621A - 一种弯曲角度的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弯曲角度的测量装置和测量方法，其中，测量方法包括：提供弹簧套管和测量丝，所述弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接，所述测量丝伸入所述弹簧套管中，所述测量丝的一端固定在所述弹簧套管的一个端部；弯曲所述弹簧套管使其表面贴合于待测量面，所述测量丝的另一端产生位移量；通过所述位移量计算得出所述待测量面的弯曲角度。本发明结构简单，测量方法也简单。由于弯曲角度与测量丝位移量呈线性关系，该测量方法无需复杂的信号处理，计算方便，该结构设计和制作的过程都十分简单，成本低廉，且能够应用于无测量基准面的，大范围的弯曲角度和累积角度。
Description
技术领域
本发明属于物理测量领域，具体涉及一种弯曲角度的测量装置和测量方法。
背景技术
目前，对物体角度进行物理测量的方法主要有三类：一是通过角度测量尺直接测量，这种测量方式无法测量大角度的物体，且在物体没有一个测量基准面时，测量操作难以完成；二是通过图像采集的方式测量，先对要测量的物体进行图像采集，然后进行图像处理得出测量结果，这种测量方式操作十分麻烦，同时操作也受空间的限制；三是采用柔性传感器，它通常是一种用导电油墨印刷的薄膜，其电阻随弯曲角度而变化，通过测量其电压值来间接得到弯曲的角度，然而其电阻和弯曲角度的关系是非线性的，无法测量大的弯曲角度。
因此，期待一种弯曲角度的测量装置和测量方法，能够便捷的测量物体弯曲的角度。
发明内容
本发明的目的是提出一种弯曲角度的测量装置和测量方法，能够便捷的测量物体弯曲的角度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种弯曲角度的测量方法，包括：
提供弹簧套管和测量丝，所述弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接，所述测量丝伸入所述弹簧套管中，所述测量丝的一端固定在所述弹簧套管的一个端部；
弯曲所述弹簧套管使其表面贴合于待测量面，所述测量丝的另一端产生位移量；
通过所述位移量计算得出所述待测量面的弯曲角度。
可选方案中，所述位移量与所述弯曲角度的关系式为；
其中，d为所述弹簧套管的直径，L为所述弹簧套管的长度，W为所述弹簧套管的单圈宽度，x为所述测量丝在所述弹簧套管的相邻单圈之间的距离。
可选方案中，所述测量丝与所述弹簧套管之间还设有特氟龙保护管，所述位移量与所述弯曲角度的关系式为；
其中，L为所述弹簧套管的长度，x为所述测量丝在所述弹簧套管的相邻单圈之间的距离，bc为所述弹簧套管的线圈的壁厚，bt为所述保护管的壁厚，ds为测量丝的厚度。
本发明还提供了一种弯曲角度的测量装置，包括：
弹簧套管，所述弹簧套管包括相对的第一端部和第二端部，所述弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接；
测量丝，所述测量丝的一端伸入所述弹簧套管中，并与所述第一端部固定；
弯曲角度获取机构，所述弯曲角度获取机构与所述弹簧套管的所述第二端部连接；所述弯曲角度获取机构包括位移量获取组件、张紧组件和处理单元；其中所述张紧组件用于连接所述测量丝的另一端，使所述测量丝处于张紧状态；所述位移量获取组件用于当所述弹簧套管弯曲贴合待测量面时，获取所述测量丝的另一端产生的位移量；所述处理单元用于根据所述位移量计算得出所述待测量面的弯曲角度。
可选方案中，所述弯曲角度获取机构具有壳体，所述位移量获取组件、所述张紧组件和所述处理单元均位于所述壳体中，所述弹簧套管的所述第二端部与所述壳体的外壁连接。
可选方案中，所述张紧组件包括滚轮和拉簧，所述滚轮可转动的安装在所述壳体的底壁上，所述测量丝的另一端与所述滚轮的外壁固定连接并缠绕在所述滚轮外周；所述滚轮上设有第一凸起，所述壳体底壁上设有第二凸起；
所述拉簧一端连接于所述第一凸起，所述拉簧的另一端连接于所述第二凸起。
可选方案中，所述位移量获取组件包括：
磁钢，所述磁钢固设在所述滚轮的顶端，且所述磁钢为圆柱形，所述磁钢的轴线与所述滚轮的轴线重合；
霍尔传感器，设置在所述壳体的顶壁下表面，所述霍尔传感器通过所述磁钢获取所述滚轮的旋转角度。
可选方案中，所述处理单元通过以下公式获取所述测量丝的位移量：
Δl＝β×r
其中，β为滚轮的旋转角度，r为的滚轮半径。
可选方案中，所述测量丝与所述弹簧套管之间还设有特氟龙保护管。
可选方案中，所述弯曲角度获取机构上设有显示屏，所述显示屏与所述处理单元连接，所述显示屏用于显示所述弯曲角度。
本发明的有益效果：
本发明通过弹簧套管和测量丝即可构成弯曲角度的测量装置，结构简单，测量方式也简单。由于弯曲角度与测量丝的位移量呈线性关系，该测量方法无需复杂的信号处理，计算方便，该结构设计和制作的过程都十分简单，成本低廉，且能够应用于无测量基准面的，大范围的弯曲角度和累积角度，比如关节角度，管道弯度等。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了本发明一种弯曲角度的测量方法测量角度的原理图。
图2示出了根据本发明一实施例的弹簧套管处于弯曲状态时的示意图。
图3示出了根据本发明一实施例的弹簧套管、特氟龙保护管、测量丝的结构示意图。
图4示出了根据本发明一实施例的测量丝位移量和弯曲角度呈线性关系的示意图。
图5示出了根据本发明一实施例的测量丝与张紧组件连接的结构示意图。
图6示出了根据本发明一实施例的一种弯曲角度的测量装置的结构示意图。
附图标记：
1-弹簧套管；2-测量丝；3-特氟龙保护管；4-1-滚轮上部；4-2-滚轮下部；5-拉簧；6-壳体的底壁；7-壳体的顶壁；8-磁钢；9-霍尔传感器。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明一实施例提供了一种弯曲角度的测量方法，包括：
提供弹簧套管和测量丝，弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接，测量丝伸入弹簧套管中，测量丝的一端固定在弹簧套管的一个端部；
弯曲弹簧套管使其表面贴合于待测量面，测量丝的另一端产生位移量；
通过位移量计算得出待测量面的弯曲角度。
图1示出了本发明的测量方法测量弯曲角度(或弧度)的原理图。参照图1，图1的左侧的图(a)为未测量角度时，弹簧套管1处于自由状态的示意图，图1的右侧的图(b)为测量角度时，弹簧套管1处于弯曲状态时的示意图。从图(b)中可以看出，当弯曲角度为
时，测量丝2的另一端的位移量为Δl。
在一个实施例中，测量丝2的位移量与弯曲角度的关系式为；
其中，d为弹簧套管1的直径，L为弹簧套管1的长度，W为弹簧套管 1的单圈宽度，x为测量丝2在弹簧套管1的相邻单圈之间的距离。
具体地，参照图2，取弹簧套管1处于弯曲状态的一小段进行分析，L 为弹簧套管的总长，测量丝2位于弹簧套管1的中轴线上，弹簧套管1两节单圈之间的位移x可以根据余弦定理计算得到：
由此可以得到测量丝的位移量Δl为：
参考图3，在一个实施例中，测量丝2与弹簧套管1之间还设有特氟龙保护管3。该特氟龙保护管3是为了减小测量丝2与弹簧套管1之间的磨损。弹簧套管1在弯曲时，测量丝2紧贴在特氟龙保护管3的内表面，因此，位移量Δl与弯曲角度
的关系式修正后的公式为；
其中，L为弹簧套管1的长度，W为弹簧套管的单圈宽度，x为测量丝2在弹簧套管1的相邻单圈之间的距离，bc为弹簧套管的线圈的壁厚，bt为保护管的壁厚，ds为测量丝的厚度。对于弹簧套管而言，其线圈的壁厚bc与单圈宽度w相等。因此有：
尽管从上面的公式看，测量丝的位移量Δl和弯曲角度
是非线性的关系。但经过实际测量，当bc＝0.5mm，bt＝0.5mm，ds＝0.5mm时，分别取弹簧套管长度L＝500mm，L＝1000mm，L＝2000mm时，得到测量丝的位移量Δl和弯曲角度
的曲线关系如图4所示。从仿真结果看，在0～3000度 (累积角度，弧形表面的累计弧度)的大角度范围内，两者具有高度的线性关系：
其中k为线性拟合得到的比例系数。
本实施例通过弹簧套管和测量丝即可测量弯曲角度，结构简单，测量方式也简单。由于弯曲角度与测量丝呈线性关系，该测量方法无需复杂的信号处理，计算方便，该结构设计和制作的过程都十分简单，成本低廉，且能够应用于无测量基准面的，大范围的弯曲角度和累积角度，比如关节角度，管道弯度，柔性机器臂的弯曲弧度等。
本发明一实施例提供了一种弯曲角度的测量装置，包括：
弹簧套管，弹簧套管包括相对的第一端部和第二端部，弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接；
测量丝，测量丝的一端伸入弹簧套管中，并与第一端部固定；
弯曲角度获取机构，弯曲角度获取机构与弹簧套管的第二端部连接；弯曲角度获取机构包括位移量获取组件、张紧组件和处理单元；其中张紧组件用于连接测量丝的另一端，使测量丝处于张紧状态；位移量获取组件用于当弹簧套管弯曲贴合待测量面时，获取测量丝的另一端产生的位移量；处理单元用于根据位移量计算得出待测量面的弯曲角度。
具体地，本发明的弯曲角度测量装置主要包括弹簧套管、测量丝和弯曲角度获取机构三部分，测量丝的一端伸入弹簧套管内，与弹簧套管的第一端部固定，测量丝的另一端延伸出弹簧套管的第二端部。测量丝具有柔性能够弯曲，但不具有弹性，不能伸缩，当弹簧套管弯曲时，测量丝未与弹簧套管固定的一端将向弹簧套管方向移动而产生一定的位移量。测量丝可以为钢丝、尼龙丝等。为了防止在弯曲过程中测量丝2发生松弛，影响测量结果，测量装置需要采用张紧组件来维持测量丝的拉力。如图5所示，可以采用拉簧或者扭簧的方式，将测量丝的另一端和拉簧固定连接，或者固定连接在装有扭簧的滑轮上，且在安装时就要保持测量丝有一定的张力。位移获取组件用于获取测量丝另一端的位移量，可以采用位移传感器，激光测距装置等。如在测量丝靠近张紧组件的一端设置一挡板，测量弯曲角度时，挡板向弹簧套管方向移动，通过测量挡板两次与激光测距装置之间的距离差，可以得出测量丝另一端的位移量。
参考图3，在一个实施例中，测量丝2与弹簧套管1之间还设有特氟龙保护管3。该特氟龙保护管3是为了减小测量丝2与弹簧套管1之间的磨损。弹簧套管1在弯曲时，测量丝2紧贴在特氟龙保护管3的内表面，
经过发明人的反复测试，得出该位移量与需要测量的弯曲角度之间具有高度的线性关系。两者的关系表达式为：
其中，Δl为位移量，
为弯曲角度，k为比例系数。本装置的原理参照上一方法实施例的描述，测量丝2的位移量与弯曲角度的关系式参照前文，此处不再赘述。
在一个实施例中，弯曲角度获取机构具有壳体，位移量获取组件、张紧组件和处理单元均位于壳体中，弹簧套管的第二端部与壳体的外壁连接。参考图6，张紧组件包括滚轮(包括上部滚轮4-1和下部滚轮4-2，上部滚轮4-1和下部滚轮4-2为一体结构)和拉簧5，滚轮可转动的安装在壳体的底壁6上，测量丝2的另一端与上部滚轮4-1的外壁固定连接并缠绕在上部滚轮4-1外周；下部滚轮4-2设有第一凸起，壳体的底壁6上设有第二凸起；拉簧5一端连接于第一凸起，拉簧的另一端连接于第二凸起。
继续参考图6，位移量获取组件包括：磁钢8，磁钢8固设在滚轮的顶端，且磁钢8为圆柱形，磁钢8的轴线与滚轮的轴线重合；霍尔传感器9，设置在壳体的顶壁7下表面，霍尔传感器通过磁钢8获取滚轮的旋转角度。处理单元通过以下公式获取测量丝的位移量：
Δl＝β×r
其中，β为滚轮的旋转角度，r为的滚轮半径。
再根据线性关系，从而求得物体弯曲的角度值。
在一个实施例中，弯曲角度获取机构上设有显示屏，显示屏与处理单元连接，显示屏用于显示弯曲角度。
本装置结构简单，测量方式也简单。由于弯曲角度与测量丝的位移量呈线性关系，该测量装置无需复杂的信号处理，计算方便，该结构设计和制作的过程都十分简单，成本低廉，且能够应用于无测量基准面的，大范围的弯曲角度和累积角度，比如关节角度，管道弯度等。
本装置能测弧度，也能测不规则曲率变化弧面的累计角度，如，可以测量软体机器人的弯曲程度。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种弯曲角度的测量方法，其特征在于，包括：
提供弹簧套管和测量丝，所述弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接，所述测量丝伸入所述弹簧套管中，所述测量丝的一端固定在所述弹簧套管的一个端部；
弯曲所述弹簧套管使其表面贴合于待测量面，所述测量丝的另一端产生位移量；
通过所述位移量计算得出所述待测量面的弯曲角度。
2.根据权利要求1所述的弯曲角度的测量方法，其特征在于，所述位移量与所述弯曲角度的关系式为；
其中，d为所述弹簧套管的直径，L为所述弹簧套管的长度，W为所述弹簧套管的单圈宽度，x为所述测量丝在所述弹簧套管的相邻单圈之间的距离。
3.根据权利要求1所述的弯曲角度的测量方法，其特征在于，所述测量丝与所述弹簧套管之间还设有特氟龙保护管，所述位移量与所述弯曲角度的关系式为；
其中，L为所述弹簧套管的长度，x为所述测量丝在所述弹簧套管的相邻单圈之间的距离，bc为所述弹簧套管的线圈的壁厚，bt为所述保护管的壁厚，ds为测量丝的厚度。
4.一种弯曲角度的测量装置，其特征在于，包括：
弹簧套管，所述弹簧套管包括相对的第一端部和第二端部，所述弹簧套管的相邻单圈之间紧密相接；
测量丝，所述测量丝的一端伸入所述弹簧套管中，并与所述第一端部固定；
弯曲角度获取机构，所述弯曲角度获取机构与所述弹簧套管的所述第二端部连接；
所述弯曲角度获取机构包括位移量获取组件、张紧组件和处理单元；其中，所述张紧组件用于连接所述测量丝的另一端，使所述测量丝处于张紧状态；所述位移量获取组件用于当所述弹簧套管弯曲贴合待测量面时，获取所述测量丝的另一端产生的位移量；所述处理单元用于根据所述位移量计算得出所述待测量面的弯曲角度。
5.根据权利要求4所述的弯曲角度的测量装置，其特征在于，所述弯曲角度获取机构具有壳体，所述位移量获取组件、所述张紧组件和所述处理单元均位于所述壳体中，所述弹簧套管的所述第二端部与所述壳体的外壁连接。
6.根据权利要求5所述的弯曲角度的测量装置，其特征在于，所述张紧组件包括滚轮和拉簧，所述滚轮可转动的安装在所述壳体的底壁上，所述测量丝的另一端与所述滚轮的外壁固定连接并缠绕在所述滚轮外周；所述滚轮上设有第一凸起，所述壳体底壁上设有第二凸起；
所述拉簧一端连接于所述第一凸起，所述拉簧的另一端连接于所述第二凸起。
7.根据权利要求6所述的弯曲角度的测量装置，其特征在于，所述位移量获取组件包括：
磁钢，所述磁钢固设在所述滚轮的顶端，且所述磁钢为圆柱形，所述磁钢的轴线与所述滚轮的轴线重合；
霍尔传感器，设置在所述壳体的顶壁下表面，所述霍尔传感器通过所述磁钢获取所述滚轮的旋转角度。
8.根据权利要求7所述的弯曲角度的测量装置，其特征在于，所述处理单元通过以下公式获取所述测量丝的位移量：
Δl＝β×r
其中，β为滚轮的旋转角度，r为的滚轮半径。
9.根据权利要求4所述的弯曲角度的测量装置，其特征在于，所述测量丝与所述弹簧套管之间还设有特氟龙保护管。
10.根据权利要求4所述的弯曲角度的测量装置，其特征在于，所述弯曲角度获取机构上设有显示屏，所述显示屏与所述处理单元连接，所述显示屏用于显示所述弯曲角度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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