CN114858336B - 一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多维力测量及光纤光栅传感技术领域，具体公开了一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，包括传感器本体和传力柱，传感器本体包括水平弹性盘、底盘、弹性竖梁和光纤光栅组件；水平弹性盘采用弹性材料制成并包括设有空腔的盘体及位于空腔中的平面应变梁，平面应变梁为十字梁结构并具有四个位于同一平面的分支横梁，四个分支横梁的外端均连接于盘体内壁，平面应变梁的中心与传力柱的下端连接；底盘与水平弹性盘相平行并通过四根沿以水平弹性盘的轴线为基准轴的圆周等间距阵列布置的弹性竖梁相连接。本发明降低了轴向力与一对水平正交力两两之间的耦合干扰，其分层感知的结构设计，有效解决了传感器维间耦合问题。
Description
技术领域
本发明涉及多维力测量及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器。
背景技术
多维力觉传感器伴随着机器人领域的发展而产生，是机器人最重要的传感器之一，由于能实现交互力测量反馈，被广泛用于机器人领域。在3C电子领域，机器人厂商较多关注在微型化、轻量化、精细化的协作机器人本体上，该类型机器人能够在狭窄的3C行业装配环境中精准完成复杂、柔性程度高的自动化装配任务，提升装配准确率和效率。目前该领域机器人应用较多的多维力传感器为电类传感器，主要有电阻应变式、电容式、压电式等，此类传感器敏感元件是有源器件，抗电磁干扰能力、抗空间辐射能力、长期稳定性能在复杂工作环境下均表现较差，且长时间使用易发生零点漂移，很大程度上影响了感知可靠性；另外，由于多维力传感器各轴向力分量输出通道的相互影响，力测量时存在维间耦合问题，严重影响测力精度，进而影响机器人抓取、搬运和装配作业的精确性和稳定性。
现有技术中，本发明创造的申请人曾于专利ZL2019111301062中提出一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力觉传感器，包括上弹性盘、下弹性盘、传力柱及光纤光栅组件，上弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅰ及位于空腔中的平面应变梁Ⅰ，平面应变梁Ⅰ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅰ，下弹性盘包括内设有空腔的盘体Ⅱ及位于空腔中的平面应变梁Ⅱ，平面应变梁Ⅱ呈十字形结构并具有四个分支梁Ⅱ，传力柱的下端垂直连接在平面应变梁Ⅱ的中心、上端从通孔Ⅰ穿出，且传力柱与通孔Ⅰ之间间隙配合，光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅及第四光纤光栅，第一光纤光栅、第二光纤光栅分别连接在平面应变梁Ⅰ的相垂直的两个分支梁Ⅰ上，第三光纤光栅悬浮置于盘体Ⅰ与盘体Ⅱ之间，第四光纤光栅连接在一分支梁Ⅱ上并位于第二光纤光栅正下方；该双十字梁式三维力觉传感器可抗电磁干扰、耐腐蚀、降低维间耦合、增大灵敏度，同时能实现温度补偿。
然而，本发明创造的发明人在使用上述双十字梁式三维力觉传感器的过程中发现，其仍存在下述不足：该传感器通过上弹性盘的分支梁发生弹性形变来测量水平力，在X方向与Y方向水平正交力之间的耦合干扰较大。
因此，为解决上述问题，本申请特提出一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，有利于降低轴向力与一对水平正交力两两之间的耦合干扰。
为实现上述目的，本发明提供了一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，包括传感器本体和传力柱，所述传力柱为可沿径向弯曲及轴向伸缩的弹性立柱结构；
所述传感器本体包括水平弹性盘、底盘、弹性竖梁和光纤光栅组件；
所述水平弹性盘采用弹性材料制成并包括设有空腔的盘体及位于空腔中的平面应变梁，所述平面应变梁为十字梁结构并具有四个位于同一平面的分支横梁，四个所述分支横梁的外端均连接于盘体内壁，所述平面应变梁的中心与传力柱的下端连接；
所述底盘与水平弹性盘相平行并通过四根沿以水平弹性盘的轴线为基准轴的圆周等间距阵列布置的弹性竖梁相连接，所述弹性竖梁的上端与水平弹性盘的下表面连接、下端与底盘的上表面连接；所述弹性竖梁采用弹性材料制成并为矩形梁结构，每一所述弹性竖梁的上部和下部均分别设有上通槽和下通槽，同一所述弹性竖梁中，上通槽贯穿其相对的两个侧面，下通槽贯穿其相对的另外两个侧面；
所述光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅及第四光纤光栅，所述第一光纤光栅连接在其中一分支横梁上，所述第二光纤光栅与第四光纤光栅分别设于两相邻弹性竖梁并连接在对应下通槽位置的未贯穿侧面，所述第三光纤光栅连接在底盘上表面。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述上通槽与下通槽均为矩形槽结构。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述水平弹性盘的盘体与平面应变梁为一体化结构且采用弹性合金制成。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述水平弹性盘、底盘及弹性竖梁为一体化结构且采用弹性合金制成。
作为对上述技术方案的进一步改进，四个所述分支横梁的内端连接处形成中心圆台，所述中心圆台上设有用于供传力柱插入并固定的第一连接孔。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述传力柱上设有用于供牵引丝穿过的过孔。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅与第四光纤光栅刻写在单根单模光纤上。
作为对上述技术方案的进一步改进，该光纤光栅三维力觉传感器还包括底座、罩体和上盖；所述底座与底盘相连接并支撑底盘，所述传感器本体设在罩体的内腔中，所述罩体的上表面设有通孔且该通孔与上盖间隙配合，所述传力柱穿过上盖中部的第二连接孔后与平面应变梁相连接。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述底座上设有若干第三连接孔，所述底盘上设有若干与第三连接孔对应配合的第四连接孔，连接件Ⅰ穿过第三连接孔与对应第四连接孔并将底座与底盘连接在一起。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述罩体的上端面设有若干第五连接孔，所述盘体上设有若干与第五连接孔对应配合的第六连接孔，连接件Ⅱ穿过第五连接孔与对应第六连接孔并将罩体与盘体连接在一起。
综合上述，与现有技术相比，本发明具有但不限于以下有益技术效果：
第一，本发明以光纤光栅为敏感元件，可解决目前应用的电类多维力传感器(电阻应变式、电容式、压电式等)接线复杂、抗电磁干扰能力较差且长时间使用易发生零点漂移的问题。
第二，本发明将四个光纤光栅敏感元件刻写在单根单模光纤上，该结构轻便小巧，与传统的电阻应变式传感器相比，解决了接线复杂困难的问题。
第三，本发明的光纤光栅组件中，第三光纤光栅为温度补偿光栅，以该光纤光栅和其他光纤光栅中心波长漂移量的差值作为传感器输出信号，实现温度补偿，解决光纤光栅温度、应变交叉耦合问题。
第四，本发明具有分层感知的结构设计，传感器的平面应变梁与弹性竖梁区域分别与盘体的内壁及下表面相连，平面应变梁仅对轴向载荷敏感，弹性竖梁仅对水平载荷敏感，盘体将轴向敏感区和水平敏感区分离开，降低了水平力与轴向力之间的耦合干扰；四根弹性竖梁沿周向间隔90°均匀设置，两相邻弹性竖梁分别对X方向和Y方向载荷敏感，降低了X方向与Y方向水平正交力之间的耦合干扰，该分层感知的结构设计，有效解决了传感器维间耦合问题。
第五，本发明的弹性竖梁上、下部设置截平面相垂直的上通槽、下通槽，上通槽、下通槽的薄壁处分别只对X方向或Y方向载荷敏感，在降低水平正交力之间耦合干扰的同时，提高了传感器灵敏度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的爆炸图；
图3为本发明的传感器本体的主视图；
图4为本发明的传感器本体的右视图；
图5为本发明的水平弹性盘的俯视图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明；当然，附图为简化后的示意图，其比例大小并不构成对专利产品的限制。
实施例
如图1至图5所示：本实施例提供了一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，包括传感器本体2和传力柱5，所述传力柱5为可沿径向弯曲及轴向伸缩的弹性立柱结构。
所述传感器本体2包括水平弹性盘21、底盘22、弹性竖梁23和光纤光栅组件。
所述水平弹性盘21采用弹性材料制成并包括设有空腔的盘体213及位于空腔214中的平面应变梁215，所述平面应变梁215为十字梁结构并具有四个位于同一平面的分支横梁，四个所述分支横梁的外端(远离其连接中心的一端)均连接于盘体213内壁，所述平面应变梁215的中心与传力柱5的下端连接；水平弹性盘21为圆环结构，空腔214即为其环内空间；相邻的分支横梁之间相垂直；分支横梁为矩形梁结构，其厚度比盘体213的厚度略小。
所述底盘22与水平弹性盘21相平行并通过四根沿以水平弹性盘21的轴线为基准轴的圆周等间距阵列布置的弹性竖梁23相连接，所述弹性竖梁23的上端与水平弹性盘21的下表面连接、下端与底盘22的上表面连接；所述弹性竖梁23采用弹性材料制成并为矩形梁结构，每一所述弹性竖梁23的上部和下部均分别设有上通槽231和下通槽232，同一所述弹性竖梁23中，上通槽231贯穿其相对的两个侧面，下通槽232贯穿其相对的另外两个侧面。
底盘22为圆盘结构，其直径比水平弹性盘21的外径略大；四根弹性竖梁23具有相同的结构，其中相对的两根弹性竖梁23基于水平弹性盘21的轴线对称，相邻的两根弹性竖梁23则相差90°(即其中一弹性竖梁23可由相邻的弹性竖梁23旋转90°得到)，传感器本体2在旋转90°后可具有重合的结构；弹性竖梁23同时垂直于底盘22与水平弹性盘21，不仅起到支撑水平弹性盘21的作用，而且本身采用弹性材料制成，是作为传感器的水平力敏感区的；在位置上，四根弹性竖梁23分别处于平面应变梁215外端的延长处；上通槽231和下通槽232的设置，使得在传力柱5受到水平力作用时弹性竖梁23所受应变增大，从而成为了传感器结构上的水平力敏感区；上通槽231与上方平面应变梁215距离近，在水平力作用时可以降低平面应变梁215的应变，还可以增加弹性竖梁23位于下通槽232位置的应变。优选地，所述上通槽231与下通槽232均可为矩形槽结构。
所述光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2、第三光纤光栅FBG3及第四光纤光栅FBG4，所述第一光纤光栅FBG1连接在其中一分支横梁上，所述第二光纤光栅FBG2与第四光纤光栅FBG4分别设于两相邻弹性竖梁23并连接在对应下通槽232位置的未贯穿侧面，所述第三光纤光栅FBG3连接在底盘22上表面。各光纤光栅均为光纤布拉格光栅结构，光栅栅区为2mm；各光纤光栅均可通过粘接方式进行定位。所述第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2、第三光纤光栅FBG3与第四光纤光栅FBG4刻写在单根单模光纤上。
第二光纤光栅FBG2与第四光纤光栅FBG4具有特定的连接关系，该处做进一步解释：如在图3中，处于视图正中的弹性竖梁23具有前后贯通(即贯穿该弹性竖梁23的前后侧面，前、后仅以图3为准)的下通槽232，此时第二光纤光栅FBG2即连接在该弹性竖梁23的右侧面，此时处于视图右方的弹性竖梁23则具有左右贯通(即贯穿该弹性竖梁23的左右侧面，左、右仅以图3为准)的下通槽232，此时第四光纤光栅FBG4即连接在该弹性竖梁23的后侧面；如在图4中，处于视图正中的弹性竖梁23具有前后贯通(即贯穿该弹性竖梁23的前后侧面，前、后仅以图4为准)的下通槽232，此时第四光纤光栅FBG4即连接在该弹性竖梁23的左侧面，此时处于视图左方的弹性竖梁23则具有左右贯通(即贯穿该弹性竖梁23的左右侧面，左、右仅以图4为准)的下通槽232，此时第二光纤光栅FBG2即连接在该弹性竖梁23的后侧面。
本实施例中，所述水平弹性盘21的盘体213与平面应变梁215为一体化结构且采用弹性合金制成；弹性合金例如可以为7075铝合金或者2a12铝合金；该结构可提高传感器的灵敏度、降低重复性误差；同样地，所述水平弹性盘21、底盘22及弹性竖梁23也为一体化结构且采用弹性合金制成。
本实施例中，四个所述分支横梁的内端连接处形成中心圆台216，所述中心圆台216上设有用于供传力柱5插入并固定的第一连接孔212。第一连接孔212可为螺孔结构，方便传力柱5的垂直定位，此时传力柱5的下端设置有相应的外螺纹部51。
本实施例中，所述传力柱5上设有用于供牵引丝穿过的过孔52；牵引丝为做标定实验的时候用于与实验平台定滑轮及砝码连接，用于测力标定，主要是用于实验模拟加载力；此外，传力柱5上端还可设置外螺纹结构53，以用于与机器人的末端执行器相连；此时过孔52设于传力柱5中部，位于外螺纹部51与外螺纹结构53之间。
本实施例中，该光纤光栅三维力觉传感器还包括底座1、罩体3和上盖4；所述底座1与底盘22相连接并支撑底盘22，所述传感器本体2设在罩体3的内腔中，所述罩体3的上表面设有通孔且该通孔与上盖4间隙配合，所述传力柱5穿过上盖4中部的第二连接孔41后与平面应变梁215相连接；底座1为圆盘结构，其直径比底盘22的直径略大；罩体3的下表面为开口结构，其上表面的通孔直径可与水平弹性盘21的内径相同；罩体3与上盖4直径具有一定间隙，以允许传力柱5的受力移动；第二连接孔41优选为螺孔结构。罩体3上可设置过线孔31，以便于单模光纤的穿过。
本实施例中，所述底座1上设有若干第三连接孔11，所述底盘22上设有若干与第三连接孔11对应配合的第四连接孔221，连接件Ⅰ(图中未示出)穿过第三连接孔11与对应第四连接孔221并将底座1与底盘22连接在一起。所述罩体3的上端面设有若干第五连接孔32，所述盘体213上设有若干与第五连接孔32对应配合的第六连接孔211，连接件Ⅱ(图中未示出)穿过第五连接孔32与对应第六连接孔211并将罩体3与盘体213连接在一起。第三连接孔11、第四连接孔221、第五连接孔32及第六连接孔211均优选为螺孔结构，这些连接孔均可沿相应圆周均匀分布，连接件Ⅰ与连接件Ⅱ均优选为螺栓结构。
作为一种可选的详细布置，第一光纤光栅FBG1可粘贴于分支横梁上表面中心位置且距离中心圆台216外壁1mm处，第二光纤光栅FBG2、第四光纤光栅FBG4可分别粘贴于相邻两弹性竖梁23下通槽232薄壁中心位置且距离底盘22上表面1mm处，第三光纤光栅FBG3可粘贴在底盘22上表面中心位置，此光纤光栅排布方式有利于提高传感器灵敏度及测力精度。
本实施例提供了一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其测力原理为：
宽带光源入射光在光纤光栅上发生透射和反射，反射光因光栅的带阻滤波作用形成，且遵循布拉格反射条件，其中心波长仅受轴向应变和温度影响，当外部载荷作用于传感器，弹性体结构会发生形变，产生相应微应变，使光纤光栅中心波长发生漂移量，通过构建传感器外在载荷和光纤光栅波长漂移量的映射关系，可实现三维力的检测。
图3和图4中，以底盘22下表面中心点为坐标原点O,分别以水平弹性盘21的平面应变梁215上两相邻分支横梁沿中心线从中心圆台216向盘体213方向为X、Y轴正方向，以中心圆台216轴向远离底盘22方向为Z轴正方向，由此建立笛卡尔坐标系。同时在传感器的特殊应变敏感区域粘贴光纤光栅，第一光纤光栅FBG1粘贴于轴向力敏感区域用于测量轴向力，第二光纤光栅FBG2与第四光纤光栅FBG4粘贴于水平力敏感区域，分别用于测量一对水平正交力，第三光纤光栅FBG3粘贴于传感器中性层，用于温度补偿。
以轴向载荷Fz作为传感器输入信号，当其作用于传力柱5时，第一光纤光栅FBG1粘贴的平面应变梁215的分支横梁上产生应变，中心波长发生漂移，由于四根光纤光栅所处环境温度变化一致，因温度变化导致中心波长漂移量相同，且第三光纤光栅FBG3为温度补偿光栅，其波长漂移量仅受温度影响，为实现温度自补偿，以第一光纤光栅FBG1与第三光纤光栅FBG3中心波长漂移量差值作为传感器输出信号；由于第二光纤光栅FBG2与第四光纤光栅FBG4所粘贴的弹性竖梁23上应变较小，第三光纤光栅FBG3处于中性层应变较小，传感器轴向耦合干扰较低。
当水平载荷Fx作用于传力柱5时，第二光纤光栅FBG2粘贴的弹性竖梁23上产生应变，中心波长发生漂移，由于四根光纤光栅所处环境温度变化一致，因温度变化导致中心波长漂移量相同，且第三光纤光栅FBG3为温度补偿光栅，其波长漂移量仅受温度影响，为实现温度自补偿，以第二光纤光栅FBG2与第三光纤光栅FBG3中心波长漂移量差值作为传感器输出信号；由于第一光纤光栅FBG1与第四光纤光栅FBG4所粘贴的弹性竖梁23分支竖梁上应变较小，第三光纤光栅FBG3处于中性层应变较小，传感器X方向耦合干扰较低。
当水平载荷Fy作用于传力柱5时，第四光纤光栅FBG4粘贴的弹性竖梁23上产生应变，中心波长发生漂移，由于四根光纤光栅所处环境温度变化一致，因温度变化导致中心波长漂移量相同，且第三光纤光栅FBG3为温度补偿光栅，其波长漂移量仅受温度影响，为实现温度自补偿，以第四光纤光栅FBG4与第三光纤光栅FBG3中心波长漂移量差值作为传感器输出信号；由于第一光纤光栅FBG1与第二光纤光栅FBG2所粘贴的弹性竖梁23上应变较小，第三光纤光栅FBG3处于中性层应变较小，传感器Y方向耦合干扰较低。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，包括传感器本体和传力柱，所述传力柱为可沿径向弯曲及轴向伸缩的弹性立柱结构；其特征在于：
所述传感器本体包括水平弹性盘、底盘、弹性竖梁和光纤光栅组件；
所述水平弹性盘采用弹性材料制成并包括设有空腔的盘体及位于空腔中的平面应变梁，所述平面应变梁为十字梁结构并具有四个位于同一平面的分支横梁，四个所述分支横梁的外端均连接于盘体内壁，所述平面应变梁的中心与传力柱的下端连接；
所述底盘与水平弹性盘相平行并通过四根沿以水平弹性盘的轴线为基准轴的圆周等间距阵列布置的弹性竖梁相连接，所述弹性竖梁的上端与水平弹性盘的下表面连接、下端与底盘的上表面连接；所述弹性竖梁采用弹性材料制成并为矩形梁结构，每一所述弹性竖梁的上部和下部均分别设有上通槽和下通槽，同一所述弹性竖梁中，上通槽贯穿其相对的两个侧面，下通槽贯穿其相对的另外两个侧面；
所述光纤光栅组件包括通过光纤依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅及第四光纤光栅，所述第一光纤光栅连接在其中一分支横梁上，所述第二光纤光栅与第四光纤光栅分别设于两相邻弹性竖梁并连接在对应下通槽位置的未贯穿侧面，所述第三光纤光栅连接在底盘上表面。
2.根据权利要求1所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述上通槽与下通槽均为矩形槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述水平弹性盘的盘体与平面应变梁为一体化结构且采用弹性合金制成。
4.根据权利要求1所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述水平弹性盘、底盘及弹性竖梁为一体化结构且采用弹性合金制成。
5.根据权利要求1所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
四个所述分支横梁的内端连接处形成中心圆台，所述中心圆台上设有用于供传力柱插入并固定的第一连接孔。
6.根据权利要求1所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述传力柱上设有用于供牵引丝穿过的过孔。
7.根据权利要求1所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅与第四光纤光栅刻写在单根单模光纤上。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
该光纤光栅三维力觉传感器还包括底座、罩体和上盖；所述底座与底盘相连接并支撑底盘，所述传感器本体设在罩体的内腔中，所述罩体的上表面设有通孔且该通孔与上盖间隙配合，所述传力柱穿过上盖中部的第二连接孔后与平面应变梁相连接。
9.根据权利要求8所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述底座上设有若干第三连接孔，所述底盘上设有若干与第三连接孔对应配合的第四连接孔，连接件Ⅰ穿过第三连接孔与对应第四连接孔并将底座与底盘连接在一起。
10.根据权利要求8所述的一种低耦合的光纤光栅三维力觉传感器，其特征在于：
所述罩体的上端面设有若干第五连接孔，所述盘体上设有若干与第五连接孔对应配合的第六连接孔，连接件Ⅱ穿过第五连接孔与对应第六连接孔并将罩体与盘体连接在一起。
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