CN213180444U - 一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，包括指部壳体，指部壳体的内部设置有多维力传感器，多维力传感器包括多个光栅和用于随指部壳体外部作用力产生形变的第一悬臂梁、第二悬臂梁以及第三悬臂梁，第一悬臂梁与第二悬臂梁设置在同一平面内，第三悬臂梁与第一悬臂梁和第二悬臂梁所在平面垂直，多个光栅布设于第一悬臂梁和第二悬臂梁以及第三悬臂梁表面，多个光栅连接有用于测定多维力的光学检测系统。本实用新型有在X、Y和Z轴方向上设置有悬臂梁以及布设在其上的光栅，通过对指部壳体施力，利用光栅受力反射光中心波长变化的现象，计算出指部壳体所受多维力的大小及方向，装置结构简单，灵敏度高且便于维护。

Description

一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置

技术领域

本实用新型涉及光传感器测量多维力领域，具体涉及一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置。

背景技术

传感器是机器人控制及反馈研究的关键部分。力传感器作为一种关键传感器广泛应用于机器人领域，在机器人腕部、手臂和手指等结构的力学传感及反馈分析中，往往需要测量结构之间及其与外部环境接触的多维受力变化情况，感知环境力的作用特征。传统的测力计无法满足实际作业需求，因而，多维传感器的设计与研究得到了发展，在传感器结构和性能方面也取得了一些成果。

自20世纪70年代以来，多维力传感器的研究已经有半个多世纪的研究历史。按照传感原理来分有电阻应变式传感器、电容式传感器、光学传感器等等。目前，电阻应变片式多维力传感器发展早、应用广，具有高精度、高灵敏度的特点。

但是，传统的应变片式传感器需要粘贴更多的应变片，且抗干扰能力差，无法在恶劣的环境中正常使用。随着光纤光栅传感技术的发展，光纤光栅被广泛地应用于各种传感领域。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀性强、耐高温、且波长值无温度零点漂移、同一根光纤上可以串接多个不同中心波长的光栅、大幅减少传感器的信号引线数量、能在复杂环境中工作等诸多优点。

在专利申请号为201911130106.2名为《一种基于光纤光栅的双十字梁式三维力传感器》的文献中公开了一种双十字多维力传感器结构，双十字梁结构的设置导致传感器体积较大，不便于在机器人指部位置集成。

发明内容

本实用新型为解决现有机器人指部多维力检测传感器使用不便的问题，提供了一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，在X、Y和Z轴方向上设置有悬臂梁以及布设在其上的光栅，通过对指部壳体施力，通过对指部壳体施力，利用光栅受力反射光中心波长变化的现象，计算出指部壳体所受多维力的大小及方向，装置结构简单，灵敏度高且便于维护。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，包括指部壳体，所述指部壳体的内部设置有多维力传感器，所述多维力传感器包括多个光栅和用于随指部壳体外部作用力产生形变的第一悬臂梁、第二悬臂梁以及第三悬臂梁，所述第一悬臂梁与第二悬臂梁设置在同一平面内，所述第三悬臂梁与第一悬臂梁和第二悬臂梁所在平面垂直，多个所述光栅布设于第一悬臂梁和第二悬臂梁以及第三悬臂梁表面，第一悬臂梁与光栅配合用于感应X轴受力；

第二悬臂梁与光栅配合用于感应Y轴受力；

第三悬臂梁与光栅配合用于感应Z轴受力；

多个所述光栅连接有用于测定多维力的光学检测系统。

进一步地，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁为等长的菱形板体，第一悬臂梁和第二悬臂梁的中轴线互相垂直，第一悬臂梁包括等长的A部和B部，第二悬臂梁包括等长的C部和D部，所述A部、B部和C部、D部设置有连接环，所述连接环的内环面下部与A部、B部和C部、D部的尖部位置圆弧过渡连接，A部、B部和C部、D部的上端面固定设置有光栅，多个所述光栅分别沿A部、B部和C部、D部的轴线分布，光栅之间互相垂直，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁和连接环为一体化结构。

进一步地，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁组合后呈十字形板体，所述十字形板体底面中部设置有支撑管，所述支撑管为圆环管状结构，支撑管与第一悬臂梁和第二悬臂梁为一体化结构，支撑管下端面固定连接有底座，所述底座呈圆盘状结构。

进一步地，所述第三悬臂梁包括弓形部、连接部和接触部，所述弓形部为弹性材质制成的弓形板体，弓形部一端设置连接部、另一端设置接触部，所述接触部、连接部与弓形部为一体化结构，沿弓形部轴线设置有光栅，所述连接部为圆柱状结构，连接部与弓形部设置于支撑管内部、连接部的底面与底座的上端面接触，所述接触部为半球形结构，接触部设置于支撑管外部。

进一步地，所述指部壳体包括半球形外壳和设置于外壳底部的圆盘形压环，所述外壳与压环为一体化结构，压环的底面与接触部的顶面接触；

所述连接环的内环面上部开设有圆柱状内凹槽，所述压环设置于内凹槽间隙位置，压环的上端面与内凹槽的上端面贴合、下端面与内凹槽下端面留有间隙，壳体与连接环活动连接。

进一步地，所述光学检测系统包括光源调节模块、耦合器、转换模块、DSP单元、主控单元和上位机，所述光源调节模块输出光信号经耦合器分别传输多个光栅，多个光栅输出光信号经转换模块进行光电转换，转换模块连接DSP单元，转换模块输出电信号经DSP单元处理传输至主控单元，所述主控单元包括MCU芯片，所述主控单元通过RS232串口连接上位机，主控单元经RS232串口将检测信号传送至上位机。

1.本实用新型设置有随指部壳体外部作用力产生形变的第一悬臂梁、第二悬臂梁以及第三悬臂梁，所述第一悬臂梁与第二悬臂梁设置在同一平面内，所述第三悬臂梁与第一悬臂梁和第二悬臂梁所在平面垂直，多个所述光栅布设于第一悬臂梁和第二悬臂梁以及第三悬臂梁表面，第一悬臂梁与光栅配合用于感应X轴受力；第二悬臂梁与光栅配合用于感应Y轴受力；第三悬臂梁与光栅配合用于感应Z轴受力；多个所述光栅连接有用于测定多维力的光学检测系统。

机器人指部外壳受到外力的作用时，作用在Z轴上的分力会使指部外壳向下滑动，致使第三悬臂梁发生形变，利用光栅受力反射光中心波长变化的现象，设置于第三悬臂梁表面的光栅受到应力作用后，反射光的中心波长发生改变，最后经光学检测系统解调出波长信息。同时作用在X、Y轴上的分力会使第一悬臂梁和第二悬臂梁发生形变，同理第一悬臂梁和第二悬臂梁上的光栅产生的中心波长也发生偏移。通过处理和计算，确定受力大小和方向，实现多维力传感器集成在机器人指部并达到准确、有效地完成多维力检测的效果。

2.本实用新型采用光栅作为传输媒介，用光信号传输信息，不受电磁干扰，光栅体积微小，结构轻便、测量原理简单、稳定性好、抗干扰能力强、使用寿命长，可在酸、碱、盐等恶劣环境中工作。

附图说明

图1是一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置的结构示意图之一。

图2是一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置的结构示意图之二。

图3是一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置的结构示意图之三。

图4是一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置的结构示意图之四。

图5是一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置的结构示意图之五。

图6是一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置的光学检测系统的电气原理图。

附图中标号为：1为第一悬臂梁，2为第二悬臂梁，3为第三悬臂梁，4为光栅，5为连接环，6为指部壳体，7为底座，8为支撑管，9为光源调节模块，10为转换模块，11为主控单元，12为上位机，301为弓形部，302为连接部，303为接触部，601为外壳，602为压环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

实施例1:如图1～图6所示，一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，包括指部壳体6，所述指部壳体6的内部设置有多维力传感器，所述多维力传感器包括多个光栅4和用于随指部壳体6外部作用力产生形变的第一悬臂梁1、第二悬臂梁2以及第三悬臂梁3，所述第一悬臂梁1与第二悬臂梁2设置在同一平面内，所述第三悬臂梁3与第一悬臂梁1和第二悬臂梁2所在平面垂直，多个所述光栅4布设于第一悬臂梁1和第二悬臂梁2以及第三悬臂梁3表面，第一悬臂梁1与光栅4配合用于感应X轴受力；

第二悬臂梁2与光栅4配合用于感应Y轴受力；

第三悬臂梁3与光栅4配合用于感应Z轴受力；

多个所述光栅4连接有用于测定多维力的光学检测系统。

为了提高光栅4敏感将光栅4沿连接环5圆心阵列，如图3所示，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2为等长的菱形板体，第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的中轴线互相垂直，第一悬臂梁1包括等长的A部和B部，第二悬臂梁2包括等长的C部和D部，所述A部、B部和C部、D部设置有连接环5，所述连接环5的内环面下部与A部、B部和C部、D部的尖部位置圆弧过渡连接，A部、B部和C部、D部的上端面固定设置有光栅4，多个所述光栅4分别沿A部、B部和C部、D部的轴线分布，光栅4之间互相垂直，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2和连接环5为一体化结构。

为进一步优化产品结构，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2组合后呈十字形板体，所述十字形板体底面中部设置有支撑管8，所述支撑管8为圆环管状结构，支撑管8与第一悬臂梁1和第二悬臂梁2为一体化结构，支撑管8下端面固定连接有底座7，所述底座7呈圆盘状结构。

为使弓形部301受应力形变，所述第三悬臂梁3包括弓形部301、连接部302和接触部303，所述弓形部301为弹性材质制成的弓形板体，弓形部301一端设置连接部302、另一端设置接触部303，所述接触部303、连接部302与弓形部301为一体化结构，沿弓形部301轴线设置有光栅4，所述连接部302为圆柱状结构，连接部302与弓形部301设置于支撑管8内部、连接部302的底面与底座7的上端面接触，所述接触部303为半球形结构，接触部303设置于支撑管8外部。

为体现指部壳体6受应力后与X轴Y轴分力联动，所述指部壳体6包括半球形外壳601和设置于外壳601底部的圆盘形压环602，所述外壳601与压环602为一体化结构，压环602的底面与接触部303的顶面接触；

所述连接环5的内环面上部开设有圆柱状内凹槽，所述压环602设置于内凹槽间隙位置，压环602的上端面与内凹槽的上端面贴合、下端面与内凹槽下端面留有间隙，壳体6与连接环5活动连接。

为便于光栅4光信号分析，所述光学检测系统包括光源调节模块9、耦合器、转换模块10、DSP单元、主控单元11和上位机12，所述光源调节模块9输出光信号经耦合器分别传输多个光栅4，多个光栅4输出光信号经转换模块10进行光电转换，转换模块10连接DSP单元，转换模块10输出电信号经DSP单元处理传输至主控单元11，所述主控单元11包括MCU芯片，所述主控单元11通过RS232串口连接上位机12，主控单元11经RS232串口将检测信号传送至上位机12。

在本实施例中，如图3和图6所示，所述光源调节模块9用于发射光源，所述耦合器为3dB耦合器，所述光栅4具体为光纤Bragg光栅，光栅4的数量为5个，分别设置在第一悬臂梁1的A部和B部、第二悬臂梁2的C部和D部以及第三悬臂梁上，五个所述光栅4串联，所述转换模块10包括光电转换器、运算放大器、I-V转换器、A/D转换器，转换模块10将光栅4反射光信号转化为携带波长信息的数字信号，MUC芯片具体为单片机；

光源调节模块9通过UART串口与MUC芯片连接，MUC芯片控制光源调节模块9输出，调节模块9经3dB耦合器输出光信号至光栅4，光栅4输出反射光至转换模块10，转换模块10将携带波长信息的数字信号经DSP单元处理之后送入单片机，DSP单元通过ADC串口与MUC芯片通信，通过光源调节模块9的同步信号和经过DSP单元处理的反射光信号，MUC芯片经相关运算获得光栅4的反射中心波长并将数据传送至上位机12。

在指部壳体6外部未施加作用力时，接触部301与压环602的底面接触，接触部301向上的支撑力与指部壳体6的重力处于受力平衡状态，此时压环602的上端面与连接环5内凹槽的上端面贴合；

外界有应力作用于光栅4上时，光栅4产生形变，从而反射光的中心波长发生偏移，其中反射光的中心波长与光栅4周期和光栅4有效折射率有关，光栅4产生弹光效应，此时光栅4有效折射率发生改变，而反射光的中心波长又与光栅4所受应力呈线性关系，因此通过反射光的中心波长偏移量可以计算参考点处轴线应变；

当指部壳体6外部存在应力，压环602下压，弓形部301受力产生形变；在指部壳体6受到任意外力作用的时候，纵向的分力使指部壳体6下移且弓形部301受力产生形变，同时横向的分力使得连接环5上的第一悬臂梁1和第二悬臂梁2受力产生应变；

在分别计算出第一悬臂梁1、第二悬臂梁2及第三悬臂梁3的应力后，进而计算机器人指部壳体6受力的大小和方向。

以上所述之实施例，只是本实用新型的较佳实施例而已，并非限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型申请专利范围内。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，包括指部壳体（6）其特征在于，所述指部壳体（6）的内部设置有多维力传感器，所述多维力传感器包括多个光栅（4）和用于随指部壳体（6）外部作用力产生形变的第一悬臂梁（1）、第二悬臂梁（2）以及第三悬臂梁（3），所述第一悬臂梁（1）与第二悬臂梁（2）设置在同一平面内，所述第三悬臂梁（3）与第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）所在平面垂直，多个所述光栅（4）布设于第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）以及第三悬臂梁（3）表面，第一悬臂梁（1）与光栅（4）配合用于感应X轴受力；

第二悬臂梁（2）与光栅（4）配合用于感应Y轴受力；

第三悬臂梁（3）与光栅（4）配合用于感应Z轴受力；

多个所述光栅（4）连接有用于测定多维力的光学检测系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，其特征在于，所述第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）为等长的菱形板体，第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）的中轴线互相垂直，第一悬臂梁（1）包括等长的A部和B部，第二悬臂梁（2）包括等长的C部和D部，所述A部、B部和C部、D部设置有连接环（5），所述连接环（5）的内环面下部与A部、B部和C部、D部的尖部位置圆弧过渡连接，A部、B部和C部、D部的上端面固定设置有光栅（4），多个所述光栅（4）分别沿A部、B部和C部、D部的轴线分布，光栅（4）之间互相垂直，所述第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）和连接环（5）为一体化结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，其特征在于，所述第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）组合后呈十字形板体，所述十字形板体底面中部设置有支撑管（8）,所述支撑管（8）为圆环管状结构，支撑管（8）与第一悬臂梁（1）和第二悬臂梁（2）为一体化结构，支撑管（8）下端面固定连接有底座（7），所述底座（7）呈圆盘状结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，其特征在于，所述第三悬臂梁（3）包括弓形部（301）、连接部（302）和接触部（303），所述弓形部（301）为弹性材质制成的弓形板体，弓形部（301）一端设置连接部（302）、另一端设置接触部（303），所述接触部（303）、连接部（302）与弓形部（301）为一体化结构，沿弓形部（301）轴线设置有光栅（4），所述连接部（302）为圆柱状结构，连接部（302）与弓形部（301）设置于支撑管（8）内部、连接部（302）的底面与底座（7）的上端面接触，所述接触部（303）为半球形结构，接触部（303）设置于支撑管（8）外部。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，其特征在于，所述指部壳体（6）包括半球形外壳（601）和设置于外壳（601）底部的圆盘形压环（602），所述外壳（601）与压环（602）为一体化结构，压环（602）的底面与接触部（303）的顶面接触；

所述连接环（5）的内环面上部开设有圆柱状内凹槽，所述压环（602）设置于内凹槽间隙位置，压环（602）的上端面与内凹槽的上端面贴合、下端面与内凹槽下端面留有间隙，壳体（6）与连接环（5）活动连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置，其特征在于，所述光学检测系统包括光源调节模块（9）、耦合器、转换模块（10）、DSP单元、主控单元（11）和上位机（12），所述光源调节模块（9）输出光信号经耦合器分别传输多个光栅（4），多个光栅（4）输出光信号经转换模块（10）进行光电转换，转换模块（10）连接DSP单元，转换模块（10）输出电信号经DSP单元处理传输至主控单元（11），所述主控单元（11）包括MCU芯片，所述主控单元（11）通过RS232串口连接上位机（12），主控单元（11）经RS232串口将检测信号传送至上位机（12）。

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