光纤光栅六维力传感器及其主体结构和测量方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅六维力传感器及其主体结构和测量方法。
【背景技术】
[0002]随着机器人技术的飞速发展，消防机器人、救援机器人等工作于特殊、恶劣环境中的特种机器人的研发越来越受到人们的重视。六维力传感器作为机器人最为重要的力觉传感器，其在特种机器人恶劣工作环境中的适用性和测量准确性就显得尤为重要。
[0003]目前现有的六维力传感器多是基于电阻应变片组桥测量原理而设计的，电阻应变片受温度、潮湿等影响产生的零点漂移大，弱电信号难以抵抗复杂环境中存在的电磁干扰等。
[0004]此外，一般的六维力传感器由于结构设计、加工误差、贴片误差等，导致单一维度的力或力矩同样会对其他维度的测量输出有影响，即为维间耦合，这将降低传感器的测量精度。即使目前对六维力传感器维间耦合的解耦方法的研究非常多，但能够实现结构自解耦、检测信息输出自解耦的传感器则可降低对解耦算法的依赖，更能保证传感器的测量精度。
【发明内容】
[0005]本申请提供一种新型的光纤光栅六维力传感器及其主体结构，同时也提供一种光纤光栅六维力传感器的测量方法。
[0006]本申请提供的光纤光栅六维力传感器的主体结构，其特征在于，包括:
[0007]上弹性盘，所述上弹性盘包括外圆环体、四个梁组件和与外圆环体同心的内圆环筒，所述主体结构具有相互垂直的第一轴向、第二轴向和第三轴向形成三维坐标系，所述外圆环体和内圆环筒的对称中心线方向为第三轴，所述四个梁组件连接于外圆环体的内壁与内圆环筒的外壁之间，且四个梁组件之间分别间隔90°，使其中两个梁组件沿第二轴方向设置，另两个梁组件沿第一轴向设置；所述梁组件包括连接于外圆环体的外矩形梁、连接于内圆环筒的内矩形梁和连接于两者之间的传力块；
[0008]下弹性筒，所述下弹性筒连接于内圆环筒的下方，所述内圆环筒具有腔体，所述下弹性筒具有内圆孔，所述腔体通过中心通孔与内圆孔连通；所述下弹性筒上开设有沿第三轴向排布的三层切孔组，每层切孔组包括四个径向贯通的切孔且均沿周向均匀分布，所述弹性筒的外壁中部径向凹陷形成中间薄壁，第一层切孔位于中间薄壁的上方，且所述内圆孔的最上端与第一层切孔的最上端平齐，所述第二层切孔位于中间薄壁之上，第三层切孔位于中间薄壁的下方，所述第一层切孔与第三层切孔位置一一对应，所述第二层切孔与第一层切孔沿周向错开45° ;
[0009]底座，所述底座包括连接于下弹性筒的下方，且具有与内圆孔连通的小轴心孔和与小轴心孔同心的大轴心孔；
[0010]以及封堵盖，所述封堵盖包括与小轴心孔配合的上圆台和与大轴心孔配合的下圆台，所述上圆台和下圆台具有贯通的中心孔和偏心孔。
[0011]作为所述主体结构的进一步改进，沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第二轴的长度；沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向方的长度大于其沿第一轴向的长度；沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向的长度为其沿第三轴向长度的3倍以上；沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度为沿第三轴向长度的3倍以上；
[0012]沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第二轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第三轴向的长度为其沿第二轴向长度的3倍以上；沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第三轴向的长度为其沿第一轴向长度的3倍以上。
[0013]作为所述主体结构的进一步改进，所述外矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第一轴向布置的内矩形梁中沿第二轴向的长度相同；或者所述外矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第二轴向布置的内矩形梁中沿第一轴向的长度相同；
[0014]所述内矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第一轴向布置的外矩形梁中沿第二轴向的长度相同，或者所述内矩形梁沿第三轴向的长度与沿第二轴向布置的外矩形梁中沿第一轴向的长度相同；
[0015]作为所述主体结构的进一步改进，所述传力块沿第一轴向设置时，其沿第一轴向的厚度为外矩形梁沿第三轴向长度的2倍以上；所述传力块的两个侧面与对应的外矩形梁的两个侧面平齐，且外矩形梁位于传力块沿第三轴向长度的中央；所述传力块的上下表面与内矩形梁的上下两个表面平齐，且沿第一轴向布置的内矩形梁位于对应传力块沿第二轴向长度的中央，沿第二轴向布置的内矩形梁位于对应传力块沿第一轴向长度的中央。
[0016]作为所述主体结构的进一步改进，同一层的两个切孔之间的部分为支撑台，所述支撑台为三层，第一层支撑台设置于第一层切孔之间，第二层支撑台设置于第二层切孔之间，第三层支撑台设置于第三层切孔之间，每个所述切孔的周向长度为对应支撑台周向长度的2倍以上，且第一层支撑台以及和其对应的第三层支撑台分别沿位于第一轴向和第二轴向设置。
[0017]作为所述主体结构的进一步改进，所述上弹性盘、下弹性筒和底座为弹性材料制成的一体式结构，所述的封堵盖与底座机械配合，并采用激光点焊固定。
[0018]作为所述主体结构的进一步改进，所述的封堵盖装入底座时，所述下圆台的上表面与大轴心孔的上表面平齐，所述上圆台的上表面低于第三层切孔。
[0019]本申请提供的光纤光栅六维力传感器，包括如上述任一项所述的主体结构和敏感检测元件，所述敏感检测元件为光纤光栅，在第一层支撑台和与其上下对应的第三层支撑台之间且平行于第三轴向的位置分别布置有第一光纤光栅(FBGl)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)，且第一光纤光栅(FBGl)和第三光纤光栅(FBG3)位于第一轴向和第三轴向所在平面内，第二光纤光栅(FBG2)和第四光纤光栅(FBG4)位于第二轴向和第三轴向所在平面内；在沿第一轴向的两个外矩形梁靠近传力块的上表面处布置有沿上弹性盘的径向设置的第五光纤光栅(FBG5)和第七光纤光栅(FBG7);在沿第二轴向的两个外矩形梁靠近传力块的上表面处布置有沿上弹性盘的径向设置的第六光纤光栅(FBG6)和第八光纤光栅(FBG8);在任意一个内矩形梁靠近传力块的两侧面上对称布置有第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO);
[0020]若在沿第一轴向的内矩形梁上布置第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)，则第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)为平行于第一轴向布置；
[0021]若在沿第二轴向的内矩形梁上布置第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)，则第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)为平行于第二轴向布置；
[0022]在腔体内布置有第十一光纤光栅(FBGll);在中心通孔和中心孔之间的内圆孔内沿第三轴向布置有第十二光纤光栅(FBG12)。
[0023]作为所述光纤光栅六维力传感器的进一步改进，第一光纤光栅(FBGl)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)处于预拉伸绷紧状态时，其两端的光纤固定粘贴于支撑台的外表面；第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)、第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)上刻有光栅处全部粘贴；第^^一光纤光栅(FBGll)处于自由状态；第十二光纤光栅(FBG12)为预拉伸绷紧状态时，其两端的光纤分别固定粘贴于中心通孔和中心孔内；所述第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)距离第三轴向轴线的距离相等；所述第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)距离第三轴向轴线的距离相等。
[0024]本申请提供的用于光纤光栅六维力传感器的测量方法，所述光纤光栅六维力传感器采用上述的光纤光栅六维力传感器，其中所述第一光纤光栅(FBGl)和第三光纤光栅(FBG3)的波长漂移量的差值信号Δ λ13= Δ λ λ 3，用于测量Fx信号；第二光纤光栅(FBG2)和第四光纤光栅(FBG4)的波长漂移量的差值信号Δ λ24= Δ λ 2-Δ λ4，用于测量Fy信号；第五光纤光栅(FBG5)和第七光纤光栅(FBG7)的波长漂移量的差值信号△ λ57 =A λ5-Δ λ 7，用于测量My信号；第六光纤光栅(FBG6)和第八光纤光栅(FBG8)的波长漂移量的差值信号Δ λ68= Δ λ 6-Δ λ s，用于测量Mx信号；第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBGlO)的波长漂移量的差值信号Δ λ910= Δ λ 9-Δ A1。，用于测量Mz ;通过温度测试得出预拉伸后两端固定粘贴的第十二光纤光栅(FBG12)与处于自由状态的第十一光纤光栅(FBGll)的温度灵敏度系数的比值k后，第十二光纤光栅(FBG12)的波长漂移量与k倍的第十一光纤光栅(FBGll)的波长漂移量的差值信号Δ A1112= Δ λ n_k*A λ12，用于测量Fz0
[0025]本申请的有益