CN209570284U - 一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，属于光纤光栅传感技术领域。如图1所示，本实用新型的3个布拉格光纤光栅由FBG1、FBG2和FBG3组成，它们依次串联且特征波长分别为λ1、λ2和λ3，FBG1双端粘贴固定至轮辐A的中性轴D的+45°方向上，FBG2双端粘贴固定至轮辐B的中性轴D的‑45°方向上，FBG3单端粘贴固定至轮辐C的中性轴D的0°方向上。通过检测FBG1和FBG2的特征波长偏移可以得出主应力大小，且FBG3的特征波长偏移起到了温度补偿的作用，再经过主应力与扭矩的线性关系得出扭矩，以实现对机器人关节扭矩的测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，设计了一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，其结构由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，用以测量机器人各个关节处的扭矩，进而实现机器人的柔性控制和人机协作。
背景技术
传感器在现代科学技术中的重要性已经越来越被认可。无论是在工业与国防领域，还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域，处处都离不开传感器的应用。多维力传感器是实现机器人类化和智能化最为重要的一种传感器，它是工程力学检测和机器人运动控制的基础，其应用范围也越来越广。而在这其中关节扭矩传感器发挥着至关重要的作用，它能够实时监测机器人各个关节处的扭矩，然后利用扭矩传感器实时反馈回来的数据与机器人动力学模型，可以实时监测操作臂与机器人是否发生了碰撞，从而采取相应的保护措施，进而实现机器人的柔性控制和人机协作。
光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。以光纤光栅为敏感单元的检测器件相比传统电类检测器件有很多的优点，如低损耗、耐腐蚀性、电绝缘性等。光纤光栅应变片由布拉格光纤光栅和金属弹性薄片基底组成，这种光纤光栅应变片相比金属箔式电阻应变片在各类场合下有明显的技术优势。因此，将光纤光栅应用于机器人关节扭矩的测量是具有意义的。
发明内容
本发明的目的在于实现机器人关节扭矩的测量，设计了一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，如图1所示。
所述的3个轮辐由轮辐A、轮辐B和轮辐C组成。
所述的3个布拉格光纤光栅由FBG1、FBG2和FBG3组成，FBG1、FBG2和FBG3 依次串联且它们的特征波长分别为λ1、λ2和λ3，所述的FBG1双端粘贴固定至轮辐A的中性轴D的+45°方向上，用于测量逆时针扭矩下的拉伸主应力与顺时针扭矩下的压缩主应力，所述的FBG2双端粘贴固定至轮辐B的中性轴D的-45°方向上，用于测量逆时针扭矩下的压缩主应力与顺时针扭矩下的拉伸主应力，所述的FBG3单端粘贴固定至轮辐C的中性轴D的0°方向上用以温度补偿，所述的FBG1与FBG2在粘贴前需进行预拉伸，以实现双向应变测量功能。
所述的3个布拉格光纤光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶。
附图说明
图1为用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器的俯视图。
图2为用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器的剖面图。
图3为用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器的3个布拉格光纤光栅串联光路图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步说明。
用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，如图1和图2所示。
所述的外轮缘的内半径为40mm，外半径为54mm,厚度为5mm。
所述的内轮缘内半径为20mm,外半径为32mm，厚度为5mm。
所述的3个轮辐由轮辐A、轮辐B和轮辐C组成，其长度均为22mm，宽度均为20mm，厚度均为3mm，3个轮辐的空间位置两两互为120°，所述的3个轮辐的两端与所述的内轮缘、外轮缘连接。
图3中BBS为宽带光源，用于输入不同特征波长的光到光路中。OSA为光纤光栅解调仪，用于处理反射回来的光信号。P为匹配液，用于吸收透射光。通过 FBG1与FBG2的特征波长偏移量可以得到主应力大小，而FBG3的特征波长偏移起到了温度补偿的作用。
具体实施步骤如下：
步骤一：制作轮辐式结构
根据所述需要选择材料与尺寸，制作外轮缘、轮辐与内轮缘的结合结构，如图1所示。
步骤二：确定3个布拉格光纤光栅的粘贴位置并固定
由材料力学的相关知识对其进行受力分析，对圆盘圆心取力矩可得:
4[Q(x+R)+M]-T＝0
所以有：
M＝T/4-Q(x+R)
式中:x为截开的轮辐截面到内轮缘外圈的距离；Q为剪切应力；M为弯矩； T为施加的扭矩。
当轮辐两端连接处的转角∝为零时，对某一轮辐施加M0(x)＝1的单位力偶矩时，根据材料力学中的莫尔定理可得：
式中:∝为转角；L为轮辐的长度；E为弹性模量；I为转动惯量。
由此可得：
将Q的表达式代入M的表达式中可得：
因此，当x＝L/2时，轮辐所受的弯矩为零，即把布拉格光纤光栅贴于轮辐截面中心可以消除弯矩的影响。
由矩形梁截面弯曲剪应力计算公式:
式中:Ix为矩形截面对中性轴的转动惯量；H为轮辐的高度。
可知，y＝0时，剪切力取得最大值。由材料力学的纯剪切力状态可得，在与 y轴成+45°方向上，主应力等于最大剪应力。
故将FBG1双端粘贴固定至轮辐A的中性轴D的+45°方向上，FBG2双端粘贴固定至轮辐B的中性轴D的-45°方向上，FBG3单端粘贴固定至轮辐C的中性轴D的0°方向上用以温度补偿。
将FBG1、FBG2和FBG3依次串联，采用353ND胶粘贴上述各端点，如图1 所示。
步骤三：当逆时针扭矩作用时，FBG1的光栅周期拉长，FBG2的光栅周期收缩，两者的特征波长偏移方向相反，FBG1用于测量拉伸主应力，FBG2用于测量压缩主应力，当顺时针扭矩作用时，则FBG1用于测量压缩主应力，FBG2用于测量拉伸主应力。根据广义虎克定理
式中:σ1、σ2分别为拉伸主应力和压缩主应力，μ为泊松系数。
由于σ1＝-σ2,且主应力ε＝ε1-ε2，得：
将Q的表达式代入得：
因此主应力ε与扭矩T成线性关系。通过检测FBG1和FBG2的特征波长偏移可以得出主应力大小，且FBG3的特征波长偏移起到了温度补偿的作用，进而根据上述公式得出扭矩T。
Claims (2)
1.一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，它是由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，其特征在于：所述的3个轮辐由轮辐A、轮辐B和轮辐C组成，所述的3个布拉格光纤光栅由FBG1、FBG2和FBG3组成，FBG1、FBG2和FBG3依次串联且它们的特征波长分别为λ1、λ2和λ3，所述的FBG1双端粘贴固定至轮辐A的中性轴D的+45°方向上，用于测量逆时针扭矩下的拉伸主应力与顺时针扭矩下的压缩主应力，所述的FBG2双端粘贴固定至轮辐B的中性轴D的-45°方向上，用于测量逆时针扭矩下的压缩主应力与顺时针扭矩下的拉伸主应力，所述的FBG3单端粘贴固定至轮辐C的中性轴D的0°方向上用以温度补偿，所述的FBG1与FBG2在粘贴前需进行预拉伸，以实现双向应变测量功能。
2.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，其特征在于：所述的3个布拉格光纤光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶。
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