CN114152374B - 一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，包括扭转敏感挠曲结构、一根光纤布拉格光栅以及信号处理单元，其中：扭转敏感挠曲结构具有将扭转运动转化为线性运动的功能，并可将轴向位移传递给光纤；光纤布拉格光栅在预紧力的作用下悬置于扭转敏感挠曲结构的中心轴线上，当扭转敏感挠曲结构发生旋转并产生轴向位移时，由于光纤的布置方向与该结构直线位移的运行方向相重叠，继而使得光纤可以产生更加均匀、更加灵敏、线性度较高的光纤应变信号；所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪和计算机系统，用于将光信号转化为数字信号。本发明所述的传感器具有灵敏度高、测量范围大、线性度高以及测量精确度高等特点。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器

技术领域

本发明涉及扭矩测量领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器。

背景技术

精确的扭矩测量已成为机器人系统的重要组成部分。伴随着现代各个学科领域的发展和进步，扭矩测量技术的实际运用范围十分广泛，它遍及到工业、农业、医学等各个领域。与其它的力学物理量相比较，扭矩的测量比较复杂和困难，但是它是各类旋转动力机械的重要工作参数，通过测量各机械设备的扭矩，不仅可以成为其他物理现象的机理，还可以有效地为被测工件提供科学数据。

旋转关节处扭矩信息的准确收集已变得必不可少，并且在估计运行状态和精确控制方面起着至关重要的作用。扭矩传感器可以为机器人旋转关节提供扭矩信息，并可进一步用于估计其工作状态，如能耗、碰撞和负载信息等。目前，扭矩传感器已广泛应用于各种机器人应用中，例如工业机器人、康复机器人、灵巧手和微创手术机器人。然而，面度对小型化和高精度的高要求，针对具有复杂功能和小尺寸设计的MIS机器人和多指机械手开发高灵敏度小型化扭矩传感器仍然具有挑战性。

为了解决传感技术存在的局限性和应用困难，光纤布拉格光栅传感器被广泛地引入和推广来实现微创手术和多指灵巧手中的扭矩传感器中。但是，该传感器仍存在测量范围小、扭矩分辨率低，传感器测量力灵敏度相对较差的问题。

发明内容

针对目前微创外科手术和多指灵巧手中缺乏交互扭矩信息的问题以及现有扭矩传感技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，该传感器可将扭转位移转化轴向位移，并将轴向位移传递给光纤，通过对光纤的应变信号进行测量，即可实现对微创手术机器人末端器械工具的负载扭矩进行实时检测。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，包括扭转敏感挠曲结构、一根光纤布拉格光栅以及信号处理单元；其中：

所述扭转敏感挠曲结构包括顶板、底板、顶横梁、多个支撑柱以及四个斜梁；所述顶板与底板之间通过多个所述支撑柱连接固定，所述顶横梁与顶板相连接，顶横梁上设有第一光纤固定部，所述多个支撑柱分别与顶板以及底板相连接；所述四个斜梁沿顶板或底板的圆周方向间隔90°均匀布置，并与所述顶横梁以及底板相连接；每个所述斜梁与底板的倾斜角度为45°，每个所述支撑柱分别与顶板以及底板相垂直，所述底板上设有第二光纤固定部；

所述光纤布拉格光栅的两端分别固定于第一光纤固定部与第二光纤固定部上，且整体呈张紧状态悬置于所述扭转敏感挠曲结构的中心轴线上；

所述光纤布拉格光栅与信号处理单元相连接，所述信号处理单元可将光波信号转化为数字信号。

进一步地，所述支撑柱的数量为4，内部呈中心状，四个所述支撑柱分别与四个所述斜梁交错布置。

进一步地，所述顶板为圆环形结构，所述顶横梁由垂直布设的两根横梁组成。

进一步地，所述第一光纤固定部设置于顶横梁的中心位置处，所述顶横梁的中心位置设有可供光纤布拉格光栅穿过的通孔。

进一步地，所述第二光纤固定部设置于底板的中心位置处，所述底板的中心位置处设有可供光纤布拉格光栅穿过的通孔。

进一步地，所述底板为圆柱形结构。

进一步地，所述第一光纤固定部以及第二光纤固定部分别为圆柱体或半圆柱体，圆柱体或半圆柱体的中心位置处开设有光纤安装槽，所述光纤布拉格光栅两端分别通过胶粘固定的方式设置于光纤安装槽中，且光纤尾部经由底板中心位置处的通孔引出，并与信号处理单元相连接。

作为优选，所述顶板上均匀布设有多个环形凸起，所述环形凸起上分别设有用于与外部手术器械相连接的螺纹连接孔。

进一步地，所述扭转敏感挠曲结构由铝合金材料制成。

进一步地，所述信号处理系统包括光纤光栅解调仪以及计算机系统。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明所述的高精度微型扭矩传感器采用独特设计的扭转敏感挠曲结构作为传感器的力敏柔性部件，所述扭转敏感挠曲结构由顶板、底板、顶横梁、多个支撑柱以及四个斜梁构成，所述四个斜梁分别与顶横梁以及底板相连接，并按圆周方向间隔90°均匀布置，多个支撑柱分别与顶板与底板相连接，并与四个斜梁呈45°交错排列，这种结构设置的挠曲结构，具有较高的扭转灵敏度，可将扭转位移转换成直线位移，且轴向变形能力较大，扭矩-变形之间具有良好的线性关系，并且所述四个支撑柱呈空心状，具有较强的抗扭串扰性能，因此开发得到传感器具有较高的灵敏度和线性度。

2、本发明所述的扭矩传感器中，光纤布拉格光栅两端分别粘贴固定于扭转敏感挠曲结构的顶部及底部，且在预紧力作用下，光纤整体以张紧状态悬空布置于扭转敏感挠曲结构的中心轴线上，当扭转敏感挠曲结构发生旋转并产生轴向位移时，由于光纤的布置方向与该结构直线位移的运行方向相互重叠，继而使得光纤可以产生更加均匀、更加灵敏、线性度较高的光纤应变信号；与传统将整根光纤光栅直接粘贴固定的方式相比，不仅可以有效避免由于光纤应变不均匀而产生的啁啾现象，且可以有效提高测量范围以及测量精确度。

3、本发明所述的扭矩传感器具有体积小、灵敏度高、测量范围大、线性度高、耐腐蚀性强、生物相容性高、抗电磁干扰等优点，可用于对微创手术机器人末端器械工具的负载扭矩进行检测，或对多指灵巧手指关节的负载扭矩进行实时监测，提供机器人与目标物体之间的扭矩交互信息，提高机器人进行操作的交互安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、图2为本发明实施例1所述基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器的立体结构示意图。

图3为本发明实施例1所述基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器俯视图。

图4为本发明实施例1所述扭转敏感挠曲结构位移传递机理图。

图5为本发明实施例1中扭矩传感器与信号处理单元连接示意图。

图6、图7为本发明实施例2中，对实施例1所述扭矩传感器进行性能测试的实验装置图。

图8为本发明实例2中，对实例1所述的扭矩传感器进行静态标定所得到的曲线关系图。

图9为X方向串扰、Y方向串扰波长偏移量与弯矩之间的关系曲线图。

图10为本发明实例2中，对实例1所述的扭矩传感器在ATI传感器进行动态加载下所得到的对比曲线。

标号说明：1、顶板；11、环形凸起；12、螺纹连接孔；2、底板；21、第二光纤固定部；3、顶横梁；31、第一光纤固定部；4、支撑柱；5、斜梁；6、光纤布拉格光栅；7、光纤光栅解调仪；8、计算机系统；9、电源；10、NI采集卡；13、实验平台；14、三轴直线微调移动平台；15、连接杆；16、砝码；17、滑轮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1至3所示，一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，主要由扭转敏感挠曲结构、一根光纤布拉格光栅以及信号处理单元组成。

其中：所述扭转敏感挠曲结构包括顶板1、底板2、顶横梁3、多个支撑柱4以及四个斜梁5；所述顶板1与底板2之间通过多个所述支撑柱4连接固定，所述顶横梁3与顶板1相连接，顶横梁3上设有第一光纤固定部31，所述四个斜梁5沿顶板1或底板2的圆周方向间隔90°均匀布置，且分别与所述顶横梁3以及底板2相连接；每个所述斜梁5与底板1的倾斜角度为45°，每个所述支撑柱4分别与顶板1以及底板2相垂直，所述底板1上设有第二光纤固定部21；

所述光纤布拉格光栅6的两端分别固定于第一光纤固定部31与第二光纤固定部21上，且整体呈张紧状态悬置于所述扭转敏感挠曲结构的中心轴线上；

所述信号处理单元与光纤布拉格光栅6相连接，所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪7和计算机系统8，所述光纤光栅解调仪7用于将光栅应变信号转化为数字信号，计算机系统用于数字信号的实时显示。

具体地，在本实施例1中，所述支撑柱4设置有四个，主要用于加强扭转敏感挠曲结构的整体刚度，且四个所述支撑柱4分别与四个斜梁5交错布置；同时，为了降低四个所述支撑柱的抗扭串扰性能，可将其内部设置呈空心状。

进一步地，在本实施例1所述的扭矩传感器中，各部件具体结构设置如下：

所述顶板1为圆环形结构，所述顶横梁3由垂直布设的两根横梁组成；所述第一光纤固定部31设置于顶横梁3的中心位置处，且顶横梁3的中心位置设有可供光纤布拉格光栅6穿过的通孔；所述底板2为圆柱形结构，所述第二光纤固定部21设置于底板2的中心位置处，且底板的中心位置处设有可供光纤布拉格光栅6穿过的通孔；所述第一光纤固定部31以及第二光纤固定部21分别为圆柱体或半圆柱体，圆柱体或半圆柱体的中心位置处开设有光纤安装槽，所述光纤布拉格光栅6的两端分别通过胶粘固定的方式设置于光纤安装槽中，并将栅区附近的涂覆层剥除，以增加粘接力，粘贴牢固后的光纤尾部经由底板2中心位置处的通孔引出，与外部光纤光栅解调仪连接，传递光信号。

此外，为了实现本发明实施例所述扭矩传感器与外部器械相连接，可在所述顶板1上均匀布设有多个环形凸起11，所述环形凸起11上分别设有用于连接的螺纹连接孔12。

如图4所示，本实施例1所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器的工作原理如下：

当传感器受到轴向扭矩载荷时，所连接的螺纹孔会将作用扭矩传递给扭转敏感挠曲结构，扭转敏感挠曲结构发生旋转后，斜梁的高度发生上升或降低，从而引起整个平台的上升或下降，之后通过顶横梁将该位移量传递给悬空布置于扭转敏感挠曲结构中心轴线上的光纤布拉格光栅，由于光纤的布置方向与扭转敏感挠曲结构直线位移运动发生的方向相互重叠，所以能够产生较大的、均匀的且线性度高的扭矩-光纤应变，引起光纤布拉格光栅的栅距变化，从而导致光栅反射波中心波长产生漂移，光纤布拉格光栅中心波长漂移与应变的关系为：

其中，λ为光纤布拉格光栅的初始中心波长，Δλ为光栅的中心波长漂移量，α_f为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数，P_e为光纤的弹光系数；Δε为光纤光栅产生的应变变化；

传感器受到的负载扭矩与光纤布拉格光栅中心波长漂移量呈线性关系，因此经由相关标定实验计算出线性系数后，即可通过光纤光栅解调仪检测出的波长漂移信息来表征所受的轴向力信息，实现机器人微创手术和多指灵巧手中交互负载信息的测量，且扭矩测量灵敏度高、测量范围大、线性度高。

实施例2：本实施例主要通过以下实验对实施例1所述的扭矩传感器进行包括灵敏度、线性度、测量范围、扭矩分辨率、抗干扰性能以及测量准确度等指标的验证：

如图6所示，所用实验装置主要包括：设有ATI力传感器的三轴直线微调移动平台14、加载实施例1所述扭矩传感器的实验平台13(包括XY移动平台、XYZ手动移动平台)、电源9、数据采集设备(NI采集卡10)、计算机8、光纤光栅解调仪7；其中：ATI力传感器用于测试本发明所述的微型扭矩传感器，具体实验如下：

(1)标定实验：ATI力传感器安装在三轴直线微调移动平台14上，并通过安装在其上的圆柱形接触头来施加载荷，同时其连接到一个接口电源设备和数据采集卡。该采集卡能够通过USB连接器提供采样频率为50Hz和分辨率高达1/320N的力信息。在力引起光纤布拉格光栅(FBG)产生应变时，使用的光纤光栅解调仪用于获取对应反射光谱的中心波长值，其采样频率为1KHz，中心波长的分辨率为1pm。

如图7所示的实验装置中，将定制的连接杆15安装在本发明实施例1所述的微型扭矩传感器上(箭头所指A处为传感器的安装位置)，其中心作为旋转枢轴点。标准砝码16悬挂在连接杆两端，在一侧设置的滑轮17协助下，实现不同方向的扭矩静态加载。在静态力标定实验中，以100N·mm的间隔施加-600N·mm到600N·mm的扭矩载荷，同时并记录相应的光纤布拉格光栅反射光谱的中心波长值。这样的加载与卸载阶段的标定过程重复了3次。利用加载过程的以平均值来确定载荷和中心波长漂移的关系。如图8所示，实验表明：本发明所述的扭矩传感器轴向灵敏度为3387.2pm/N·mm，相应的分辨率为0.295mN，载荷-中心波长特征曲线的线性误差为1.24％，线性度良好。

(2)为研究力矩Mx和My对本发明所述扭矩传感器的干扰。将扭矩传感器垂直固定在xy平移平台上，连杆中心直接固定在传感器的另一端，力矩采用标准重量。标准砝码的装载量为600克，间隔为100克。对应的最大FBG中心波长仅改变104pm，如图9所示，Mx和My的串扰误差分别为1.6％和3.4％。结果表明，该扭矩传感器具有良好的抗干扰能力。

(3)为了研究本发明所述传感器的动态性能，在扭矩方向进行了扭矩激励实验。通过手动操作直线微调移动平台进行动态的加载。得出设计传感器测量值与目前商业用精度最高的ATI力传感器测量值一致性好，其对比的结果如图10所示，验证了该传感器的有效性和准确性。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，包括扭转敏感挠曲结构、一根光纤布拉格光栅以及信号处理单元；其中：

所述扭转敏感挠曲结构包括顶板、底板、顶横梁、多个支撑柱以及四个斜梁；所述顶板与底板之间通过多个所述支撑柱连接固定，所述顶横梁与顶板相连接，且顶横梁上设有第一光纤固定部；所述四个斜梁沿顶板或底板的圆周方向间隔90°均匀布置，并分别与所述顶横梁以及底板相连接；每个所述斜梁与底板的倾斜角度为45°，每个所述支撑柱分别与顶板以及底板相垂直，所述底板上设有第二光纤固定部；

所述光纤布拉格光栅的两端分别固定于第一光纤固定部与第二光纤固定部上，且整体呈张紧状态悬置于所述扭转敏感挠曲结构的中心轴线上；

所述信号处理单元与光纤布拉格光栅相连接，用于将光波信号转化为数字信号；

当传感器受到轴向扭矩载荷时，会将作用扭矩传递给扭转敏感挠曲结构，扭转敏感挠曲结构发生旋转后，斜梁的高度发生上升或降低，从而引起整个平台的上升或下降，之后通过顶横梁将该上升或下降的位移量传递给悬空布置于扭转敏感挠曲结构中心轴线上的光纤布拉格光栅，由于光纤的布置方向与扭转敏感挠曲结构直线位移运动发生的方向相互重叠，所以能够产生较大的、均匀的且线性度高的扭矩-光纤应变，引起光纤布拉格光栅的栅距变化，从而导致光栅反射波中心波长产生漂移。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述支撑柱的数量为4，内部呈空心状，且四个所述支撑柱分别与四个所述斜梁交错布置。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述顶板为圆环形结构，所述顶横梁由垂直布设的两根横梁组成。

4.根据权利要求3所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述第一光纤固定部设置于顶横梁的中心位置处，所述顶横梁的中心位置设有可供光纤布拉格光栅穿过的通孔。

5.根据权利要求4所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述第二光纤固定部设置于底板的中心位置处，所述底板的中心位置处设有可供光纤布拉格光栅穿过的通孔。

6.根据权利要求5所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述底板为圆柱形结构。

7.根据权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述第一光纤固定部以及第二光纤固定部分别为圆柱体或半圆柱体，圆柱体或半圆柱体的中心位置处开设有光纤安装槽，所述光纤布拉格光栅两端分别通过胶粘固定的方式设置于光纤安装槽中，且光纤尾部经由底板中心位置处的通孔引出，并与信号处理单元相连接。

8.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述顶板上均匀布设有多个环形凸起，所述环形凸起上分别设有用于与外部手术器械相连接的螺纹连接孔。

9.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述扭转敏感挠曲结构由铝合金材料制成。

10.根据权利要求7所述的基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪以及计算机系统。

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