一种光纤光栅力觉传感器、机器人及其传感测量方法
【专利摘要】一种光纤光栅力觉传感器、机器人及其传感测量方法，包括本体，本体表面至少有一个刻槽以及放置在刻槽内的光纤，光纤上根据预设的光纤光栅参数刻写至少一个光纤光栅；当本体在外部力的作用下发生形变，获取预设的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化，根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测量系数的变化量。本发明的光栅力觉传感器基于光纤传感，克服了传统传感器易受电气干扰，易受电磁干扰的缺陷；发挥光纤传感器耐热、耐腐蚀、耐辐射的优点，且体积小、精度高，满足机器人足部和指部等的静、动态特性，承受足够大的冲击载荷，可测范围大。
【专利说明】
一种光纤光栅力觉传感器、机器人及其传感测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及传感器领域，更具体地说，涉及一种光纤光栅力觉传感器、机器人及其 传感测量方法。
【背景技术】
[0002] 核电设备结构复杂，设备本身或其运行环境具有放射性，同时还兼具水下、高温、 高压等特点，利用机器人进行设备检修、乏燃料转运、放射性废物处置和核事故应急处理等 工作，可以大幅提高核电站的检修水平或事故处理效率，降低工作人员受照剂量和劳动强 度，致力于开发出适应核辐射环境。性能先进、可靠的核电站机器人一直是核工业界追求的 目标。
[0003] 但通过对国内外传感器的发展现状和核电环境的特殊性研究后发现，目前核电机 器人的传感器有以下缺点:敏感元件采用电信号输出，容易引起电气和电磁干扰;传感单元 较多，电极、引线复杂，导致传感器比较笨重；敏感元件、电极电路、弹性体材料在高温、高 压、高腐蚀、高辐射的核电特殊复杂环境中可靠性和寿命大大降低，而核电工作环境的特殊 性导致了传感器失效后无法及时更换;且其结构不能满足核电机器人体积小、质量轻、耐冲 击的使用要求。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于，提供一种光纤光栅力觉传感器、机器人及其传感 测量方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光纤光栅力觉传感器，包 括本体，本体表面至少有一个刻槽，光纤光栅力觉传感器还包括放置在刻槽内的光纤，光纤 上根据预设的光纤光栅参数刻写至少一个光纤光栅；当本体在外部力的作用下发生形变， 并引起放置在本体的刻槽中的光纤发生形变时，获取预设的光纤光栅参数的变化量以及光 纤光栅的中心波长的变化;根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的 变化得出预设测量系数的变化量。
[0006] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，本体为球形本体（101 )，球形本体（101)有至 少一个切面;球形本体（101)为一体成型；或球形本体（101)为将球体的一部分切除并形成 切面之后成型。
[0007] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，球形本体（101)上的切面包括第一切面 (103)、第二切面、第三切面（106)、第四切面、第五切面（107)和第六切面；其中，第一切面 (103)和第二切面平行，且第一切面（103)和第二切面分别位于球形本体（101)的相对两侧； 第三切面（106)和第四切面平行，且第三切面（106)垂直于第一切面（103)，且第三切面 (106)和第四切面分别位于球形本体（101)的相对两侧；第一切面（103)、第二切面、第三切 面（106)和第四切面延伸的四个平面围成一空心柱体，第五切面（107)和第六切面与空心柱 体的轴向垂直，且第五切面（107)和第六切面平行，且第五切面（107)和第六切面分别位于 球形本体(101)的相对两侧。
[0008] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，本体上的各个切面上对应设置至少一个刻 槽，且各个切面上的各刻槽内均放置光纤;光纤放置于切面上的各刻槽内的位置均刻写有 光纤光栅。
[0009] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，球形本体（101)包括垂直于第一切面的中心 轴;刻槽包括第一刻槽（102)，第一刻槽（102)绕球形本体（101)-周所形成的平面为第一平 面，中心轴位于第一平面上。
[0010] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，刻槽还包括第二刻槽（104)，第二刻槽（104) 绕球形本体（101)-周所形成的平面为第二平面，第一平面垂直于第二平面，且第一平面与 第二平面的垂线为中心轴。
[0011]在本发明的光纤光栅力觉传感器中，刻槽还包括第三刻槽（105)，第三刻槽（105) 与第一刻槽（102)和第二刻槽（104)均相通，且第三刻槽（105)位于中心轴穿过的切面上;第 三刻槽(105)具有弧度，光纤通过第三刻槽(105)从第一刻槽(102)绕至第二刻槽(104)。 [0012]在本发明的光纤光栅力觉传感器中，光纤上刻写有多个光纤光栅，光纤放置在连 通的第一刻槽（102)、第二刻槽（104)和第三刻槽（105)内，光纤上刻写光纤光栅的位置均位 于切面内。
[0013]优选地，预设测量系数包括外部力的大小和力矩、应变、温度、电压、振动或/和加 速度。
[0014] 另，本发明还构造一种机器人，包括上文的光纤光栅力觉传感器。
[0015] 另，本发明还公开一种机器人传感测量方法，机器人包括上文的光纤光栅力觉传 感器、与光纤光栅力觉传感器的光纤连接的光检测装置；
[0016] 机器人的传感测量方法包括下述步骤：
[0017] 将光纤光栅力觉传感器安装在机器人的受力部位；
[0018] 当光纤光栅力觉传感器的本体在外部力的作用下发生形变，并引起放置在本体的 刻槽中的光纤发生形变时，通过光检测装置获取预设的光纤光栅参数的变化量以及光纤光 栅的中心波长的变化；
[0019] 根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测 量系数的变化量。
[0020] 优选地，通过光检测装置获取预设的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心 波长的变化包括：
[0021 ]以本体中心点为原点，建立包含光纤光栅力觉传感器的坐标系；
[0022]通过光检测装置获取预设的光纤光栅参数的变化量，其中，预设的光纤光栅参数 的变化量包括光纤光栅的栅区的纤芯的有效折射率和光纤光栅的周期；
[0023]根据获取的光纤光栅参数的变化量得出光纤光栅的中心波长的变化量。
[0024] 优选地，根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出 预设测量系数的变化量包括：
[0025] 根据光纤光栅的中心波长的变化量得出其在坐标系中与所受外部力之间的对应 关系，得出坐标系中各坐标轴上的外部力的大小；
[0026]根据各坐标轴上的外部力的大小得到光纤光栅力觉传感器所需检测的预设测量 系数的变化量。
[0027] 优选地，坐标系为空间直角坐标系；
[0028] 根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测 量系数的变化量包括：
[0029] 根据光纤光栅的中心波长的变化量，得出光纤光栅的中心波长的变化量在空间直 角坐标系的X轴、Y轴、Z轴上与所受外部力之间的对应关系，得出X轴、Y轴、Z轴上的外部力的 大小；
[0030] 根据X轴、Y轴、Z轴上的外部力的大小得出光纤光栅力觉传感器所需检测的预设测 量系数的变化量。
[0031] 优选地，预设测量系数包括外部力的大小和力矩、应变、温度、电压、振动或/和加 速度。
[0032] 实施本发明的一种光纤光栅力觉传感器、机器人及其传感测量方法，具有以下有 益效果:本发明的光栅力觉传感器基于光纤传感，适应核电特殊环境下应用，克服了传统传 感器易受电气干扰，易受电磁干扰的缺陷;发挥光纤传感器耐热、耐腐蚀、耐辐射的优点，使 用特殊的封装材料及封装技术，满足传感器在高温、高压、高腐蚀、高辐射的核电特殊复杂 的环境下的使用要求;光纤传感器体积小、精度高;采用特殊轻质材料制作，质量轻;特殊结 构设计，满足机器人足部和指部等的静、动态特性，承受足够大的冲击载荷，可测范围大。
【附图说明】
[0033]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0034]图1是本发明光纤光栅力觉传感器的立体结构示意图；
[0035]图2是本发明光纤光栅力觉传感器的切面结构示意图；
[0036]图3是本发明光纤光栅力觉传感器俯视图；
[0037]图4是本发明光纤光栅的折射率分布及光谱特性；
[0038]图5是本发明光纤光栅传感器传感原理图；
[0039] 图6是本发明使用光纤光栅力觉传感器方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0040] 如图1所示，是本发明的优选实施例。
[0041 ] 本实施例公开一种光纤光栅力觉传感器，包括本体，所述本体表面至少有一个刻 槽，光纤光栅力觉传感器还包括放置在所述刻槽内的光纤，光纤上根据预设的光纤光栅参 数刻写至少一个光纤光栅;所述本体的形状根据实际的应用场景进行具体场景设计，可采 用球体、柱体等;所述本体的大小根据实际的应用场景进行具体场景设计，本实施例对此不 做限定。光纤中刻写光纤光栅的数量和光纤光栅之间的距离根据所述本体的形状和大小确 定。
[0042] 当所述本体在外部力的作用下发生形变，并引起放置在所述本体的所述刻槽中的 光纤发生形变时，获取预设的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化；
[0043] 根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测 量系数的变化量。优选地，预设测量系数包括外部力的大小和力矩、应变、温度、电压、振动 或/和加速度。需要说明的是，预先标定的波长(包括光纤光栅的中心波长)和预设测量系数 之间的关系要考虑所述本体所用的材质、形状、大小以及所用光波的波段，也就是说，根据 本发明的原理制作的传感器，其预先标定的波长和预设测量系数之间的关系是不同的，需 要在确定好传感器的材质、形状、大小以及所用光波的波段的基础上，根据测试结果确定标 定的波长和预设测量系数之间的对应关系。
[0044] 力觉传感器可以作为机器人的感知部件，安装在机器人的手臂等和末端执行器中 间，将感知的力/力矩信息(或其他的测量系数)反馈至计算机，以便控制末端执行器运动的 方向和位置，实现机器人自适应调节，完成自动装配等精密作业。
[0045] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，所述本体为球形本体101，球形本体101有至 少一个切面;球形本体101为一体成型；或球形本体101为将球体的一部分切除并形成切面 之后成型。这里所说的球形本体101不仅包括正球体，也包括椭球体，以及类球体，例如，规 则的多面体以及不规则的多面体。需要注意的是，本实施例中的球体光纤光栅力觉传感器 应用于核电机器人的足部和指部，因此要求球体具有平滑的过度，便于旋转，方便机器人足 部和指部的运动。同时，球体的材质应是具有弹性体材料，需采用轻质高强度合金，如钛合 金等，满足传感器在机器人在足部行进和指部抓握过程中产生的冲击强度要求，且弹性体 作为一个整体采用高强度轻质合金一次加工成型，弹性体结构在满足敏感元件测应变灵敏 性的前提下，确保强度和较轻便的质量。光纤光栅力觉传感器与机器人部位的衔接，可根据 不同类型机器人的不同部位的安装需求，设计安装孔位，进行衔接。
[0046] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，球形本体101上的切面包括第一切面103、第 二切面、第三切面106、第四切面、第五切面107和第六切面;其中，第一切面103和第二切面 平行，且第一切面103和第二切面分别位于球形本体101的相对两侧;第三切面106和第四切 面平行，且第三切面106垂直于第一切面103,且第三切面106和第四切面分别位于球形本体 101的相对两侧;第一切面103、第二切面、第三切面106和第四切面延伸的四个平面围成一 空心柱体，第五切面107和第六切面与空心柱体的轴向垂直，且第五切面107和第六切面平 行，且第五切面107和第六切面分别位于球形本体101的相对两侧。
[0047] 本实施例在球形本体101上取六个切割面，也可根据需要取四个切面、八个切面 等，切面的选取规则与取六个切面的方法相同，保证取过切面的球形本体101能保持平滑过 度，方便安装在机器人的衔接部位。六个切面既可以对称相同，也可以根据需求切割。
[0048] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，所述本体上的各个切面上对应设置至少一个 所述刻槽，且各个切面上的各所述刻槽内均放置光纤;光纤放置于切面上的各所述刻槽内 的位置均刻写有光纤光栅。
[0049] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，球形本体101包括垂直于第一切面的中心轴； 所述刻槽包括第一刻槽102,第一刻槽102绕球形本体101-周所形成的平面为第一平面，中 心轴位于第一平面上;所述刻槽还包括第二刻槽104,第二刻槽104绕球形本体101-周所形 成的平面为第二平面，第一平面垂直于第二平面，且第一平面与第二平面的垂线为中心轴； 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，所述刻槽还包括第三刻槽105,第三刻槽105与第一刻 槽102和第二刻槽104均相通，且第三刻槽105位于中心轴穿过的切面上；第三刻槽105具有 弧度，光纤通过第三刻槽105从第一刻槽102绕至第二刻槽104。因为光纤的特性，不能随意 弯折，需要控制一定的弯折角度，否则会引起光的传播失真，所以第三刻槽105具有一定弧 度，弧度的大小根据传感器的大小和相交所述刻槽的角度确定，方便光纤从第一刻槽102绕 至第二刻槽104,不影响光波在光纤中的传输。在本实施例中，所述本体上的所述刻槽的数 量并不限定为第一刻槽102、第二刻槽104和第三地槽105,所述刻槽数量可以根据所述本体 的形状以及需要测量的外力的分布情况确定。
[0050] 在本发明的光纤光栅力觉传感器中，光纤上刻写有多个光纤光栅，光纤放置在连 通的第一刻槽102、第二刻槽104和第三刻槽105内，光纤上刻写光纤光栅的位置均位于切面 内。优选地，在光纤上刻写六个光纤光栅，光纤在第一刻槽102、第二刻槽104和第三刻槽105 绕球形本体101两周，且六个光纤光栅分别落在六个切面内。在光纤光栅力觉传感器受到外 力之前，利用光检测装置检测光纤中的各个光纤光栅的光波分布，记录为原始光信号;在光 纤光栅力觉传感器受到外力发生形变后，光纤随之发生形变，例如拉伸或压缩，导致光纤中 的光波波长发生变化，光检测装置检测到各个光纤光栅的光波变化量，根据预先标定的波 长与受力之间的对应关系以及变化量确定受到外部力的大小和方向，也就是六个切面所受 外部力的大小和方向。
[0051] 将本实施例的力觉传感器安装在机器人的手臂等和末端执行器中间，将感知的 力/力矩信息反馈至计算机，以便控制末端执行器运动的方向和位置，实现机器人自适应调 节，完成自动装配等精密作业。
[0052] 优选地，结合图2和图3,本实施例给出一种光纤光栅力觉传感器，具体参数是:光 纤光栅力觉传感器的球体的半径为15_，切面的半径为7.5_，两个平行切面之间的距离为 25.98mm，所述刻槽的槽深为0.6mm，所述刻槽的槽宽为0.6mm，根据以上参数设计的光纤光 栅力觉传感器经测试，可达到下表的性能参数：
[0053] 表1光纤光栅力觉传感器的性能参数表
LUUbbj 元针元栅是一柙新型的元尤源器仵，利用元针材科的元敏特性在元针的针芯上建 立的一种空间周期性折射率分布，可以改变或控制光在该区域的传播行为方式。被测量(温 度、应力/应变）引起光纤光栅栅距的变化，从而反射峰的中心波长发生移动，通过波长解调 系统得到反射峰移动量，即可获得被测量的大小。
[0056] 光纤光栅是在沿光纤轴向方向上的一小段上进行写入，写入后便在光纤的纤芯内 形成了折射率周期变化的光纤光栅，光纤光栅的反射率为90%以上，反射带宽进为0.25nm， 所以光纤光栅相当于窄带滤波器。光源的光经光纤光栅的一端进入，满足布拉格条件的光， 即波长为λ Β光会发生后向耦合，反射谱中会形成以λΒ为中心的峰值，如图4所示，即光纤光栅 只能反射以λ Β为中心的窄带宽的光，其余波长的光透射。布拉格条件为：
[0057] AB = 2neff Λ (2-1)
[0058] 其中λΒ为光纤光栅的中心波长即布拉格波长，neff为栅区的纤芯的有效折射率，Λ 为光纤光栅的周期。
[0059] 由公式(2-1)可知，光纤光栅的中心波长是和Λ与λΒ有关，外界温度应变等变化时 会引起△ neff和△ Λ的变化，从而中心波长发生变化，则中心波长变化可表示为：
[0060] ΔλΒ = 2Δηθ?? A+2neff A Λ (2-2)
[00611公式(2-2)中可知，当有效折射率neff或栅距Λ有变化时，光纤光栅的中心波长λΒ 会随之改变，通过探测光纤光栅的λΒ的变化，便可映射出待测参量的变化，如图5所示：只要 测的波长变化量A λΒ，便可映射出应力、应变、温度、电压、振动、加速度、等的变化量，从而 完成光纤光栅传感过程。
[0062]现说明本发明所用光纤光栅的压力特性。
[0063]若外界压力变化，光纤光栅波长的变化可表示为：
[0064]
[0065]
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]裸光纤光栅的压力灵敏度一般为3.13pm/MPa;光纤光栅对压力并不是很敏感，需 要一些增敏措施。
[0071 ]在本发明所用光纤光栅中：
[0072] 当均匀轴向应力施加到光纤光栅上时，光纤光栅会受到拉伸或压缩时，机械性的 拉伸会改变光纤光栅的光栅常数，表示为：
[0073]
[0074] 其中εχ为被测点处的轴向应变，与此同时弹光效应会使光纤光栅的折射率发生变 化：
[0076] μ为纤芯材料的泊松比，Pll和Pl 2为弹光系数，定义有效弹光系数Pe为：
[0075]
[0077]
[0078] 掺锗石英光纤，？11=0.121，？12 = 0.27 4为0.17，带入上式得到？6?0.22。
[0079] 所以轴向应变造成的光纤光栅波长变化量为：
[0080]
[0081] 由上式可知，光纤光栅的材料确定后，外界应变对其的影响^是与材料系数相 % 关的常数，说明光纤光栅的应变特性是线性的。在实际应用，一般不允许形变超过5%，否则 会产生断裂常用裸光纤光栅一个微应变引起的波长变化为1.205pm。
[0082] 另，本发明还构造一种机器人，包括上文的光纤光栅力觉传感器。
[0083] 该光纤光栅力觉传感器安装在机器人的手指、脚趾、手臂等部位，利用光纤光栅对 应变和温度的灵敏反映来代替普通的压力和温度传感器，为机器人所需配备传感器提供了 新的选择。特别地，对于应用在核电环境中的机器人，使用本发明提供的光纤光栅力觉传感 器可适应核电站的高温、高压、高腐蚀、高辐射的特殊环境，且体积小，寿命可达8-10年，不 易受电磁环境的干扰，具有优良特性。
[0084] 如图6所示，本发明还公开一种机器人传感测量方法，所述机器人包括上文的光纤 光栅力觉传感器、与光纤光栅力觉传感器的光纤连接的光检测装置；
[0085] 机器人的传感测量方法包括下述步骤：
[0086] Sl:将光纤光栅力觉传感器安装在机器人的受力部位；
[0087] S2:当光纤光栅力觉传感器的本体在外部力的作用下发生形变，并引起放置在本 体的所述刻槽中的光纤发生形变时，通过光检测装置获取预设的光纤光栅参数的变化量以 及光纤光栅的中心波长的变化；
[0088] S3:根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设 测量系数的变化量。
[0089] 优选地，通过光检测装置获取预设的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心 波长的变化包括：
[0090] 以本体中心点为原点，建立包含光纤光栅力觉传感器的坐标系；
[0091]通过光检测装置获取预设的光纤光栅参数的变化量，其中，预设的光纤光栅参数 的变化量包括光纤光栅的栅区的纤芯的有效折射率和光纤光栅的周期；
[0092]根据获取的光纤光栅参数的变化量得出光纤光栅的中心波长的变化量。
[0093] 优选地，根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出 预设测量系数的变化量包括：
[0094] 根据光纤光栅的中心波长的变化量得出其在坐标系中与所受外部力之间的对应 关系，得出坐标系中各坐标轴上的外部力的大小；
[0095]根据各坐标轴上的外部力的大小得到光纤光栅力觉传感器所需检测的预设测量 系数的变化量。
[0096] 优选地，坐标系为空间直角坐标系；
[0097] 根据获取的光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测 量系数的变化量包括：
[0098] 根据光纤光栅的中心波长的变化量，得出光纤光栅的中心波长的变化量在空间直 角坐标系的X轴、Y轴、Z轴上与所受外部力之间的对应关系，得出X轴、Y轴、Z轴上的外部力的 大小；
[0099]根据X轴、Y轴、Z轴上的外部力的大小得出光纤光栅力觉传感器所需检测的预设测 量系数的变化量。
[0100]优选地，预设测量系数包括外部力的大小和力矩、应变、温度、电压、振动或/和加 速度。
[0101]以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要 求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
【主权项】
1. 一种光纤光栅力觉传感器，其特征在于，包括本体，所述本体表面至少有一个刻槽， 所述光纤光栅力觉传感器还包括放置在所述刻槽内的光纤，所述光纤上根据预设的光纤光 栅参数刻写至少一个光纤光栅； 当所述本体在外部力的作用下发生形变，并引起放置在所述本体的刻槽中的所述光纤 发生形变时，获取预设的所述光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化； 根据获取的所述光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测 量系数的变化量。2. 根据权利要求1所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述本体为球形本体 (1 〇 1 )，所述球形本体(1 〇 1)有至少一个切面； 所述球形本体（101)为一体成型；或所述球形本体（101)为将球体的一部分切除并形成 所述切面之后成型。3. 根据权利要求2所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述球形本体（101)上的 所述切面包括第一切面（103)、第二切面、第三切面（106)、第四切面、第五切面（107)和第六 切面； 其中，所述第一切面（103)和所述第二切面平行，且所述第一切面（103)和所述第二切 面分别位于所述球形本体(101)的相对两侧； 所述第三切面（106)和所述第四切面平行，且所述第三切面（106)垂直于所述第一切面 (103) ，且所述第三切面(106)和所述第四切面分别位于所述球形本体(101)的相对两侧； 所述第一切面（103)、所述第二切面、所述第三切面（106)和所述第四切面延伸的四个 平面围成一空心柱体，所述第五切面（107)和所述第六切面与所述空心柱体的轴向垂直，且 所述第五切面（107)和所述第六切面平行，且所述第五切面（107)和所述第六切面分别位于 所述球形本体(101)的相对两侧。4. 根据权利要求3所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述本体上的各个所述切 面上对应设置至少一个所述刻槽，且各个所述切面上的各所述刻槽内均放置光纤;所述光 纤放置于所述切面上的各所述刻槽内的位置均刻写有所述光纤光栅。5. 根据权利要求4所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述球形本体（101)包括 垂直于所述第一切面的中心轴;所述刻槽包括第一刻槽（102)，所述第一刻槽（102)绕所述 球形本体(101)-周所形成的平面为第一平面，所述中心轴位于所述第一平面上。6. 根据权利要求5所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述刻槽还包括第二刻槽 (104) ，所述第二刻槽(104)绕所述球形本体(101)-周所形成的平面为第二平面，所述第一 平面垂直于所述第二平面，且所述第一平面与所述第二平面的垂线为所述中心轴。7. 根据权利要求6所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述刻槽还包括第三刻槽 (105) ，所述第三刻槽（105)与所述第一刻槽（102)和所述第二刻槽（104)均相通，且所述第 三刻槽（105)位于所述中心轴穿过的所述切面上;所述第三刻槽（105)具有弧度，所述光纤 通过所述第三刻槽(105)从所述第一刻槽(102)绕至所述第二刻槽(104)。8. 根据权利要求6所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述光纤上刻写有多个所 述光纤光栅，所述光纤放置在连通的所述第一刻槽（102)、所述第二刻槽（104)和所述第三 刻槽(105)内，所述光纤上刻写所述光纤光栅的位置均位于所述切面内。9. 根据权利要求1所述的光纤光栅力觉传感器，其特征在于，所述预设测量系数包括所 述外部力的大小和力矩、应变、温度、电压、振动或/和加速度。10. -种机器人，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的光纤光栅力觉传感器。11. 一种机器人传感测量方法，其特征在于，所述机器人包括权利要求1-9任一所述的 光纤光栅力觉传感器、与所述光纤光栅力觉传感器的所述光纤连接的光检测装置； 所述机器人的传感测量方法包括下述步骤： 将所述光纤光栅力觉传感器安装在所述机器人的受力部位； 当所述光纤光栅力觉传感器的所述本体在外部力的作用下发生形变，并引起放置在所 述本体的刻槽中的所述光纤发生形变时，通过所述光检测装置获取预设的所述光纤光栅参 数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化； 根据获取的所述光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测 量系数的变化量。12. 根据权利要求11所述的机器人传感测量方法，其特征在于，所述通过所述光检测装 置获取预设的所述光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化包括： 以所述本体中心点为原点，建立包含所述光纤光栅力觉传感器的坐标系； 通过所述光检测装置获取预设的所述光纤光栅参数的变化量，其中，预设的所述光纤 光栅参数的变化量包括光纤光栅的栅区的纤芯的有效折射率和光纤光栅的周期； 根据获取的所述光纤光栅参数的变化量得出光纤光栅的中心波长的变化量。13. 根据权利要求12所述的机器人传感测量方法，其特征在于，所述根据获取的所述光 纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预设测量系数的变化量包括： 根据光纤光栅的中心波长的变化量得出其在所述坐标系中与所受外部力之间的对应 关系，得出所述坐标系中各坐标轴上的所述外部力的大小； 根据各所述坐标轴上的所述外部力的大小得到所述光纤光栅力觉传感器所需检测的 预设测量系数的变化量。14. 根据权利要求12所述的机器人传感测量方法，其特征在于，所述坐标系为空间直角 坐标系； 所述根据获取的所述光纤光栅参数的变化量以及光纤光栅的中心波长的变化得出预 设测量系数的变化量包括： 根据光纤光栅的中心波长的变化量，得出光纤光栅的中心波长的变化量在所述空间直 角坐标系的X轴、Y轴、Z轴上与所受外部力之间的对应关系，得出X轴、Y轴、Z轴上的所述外部 力的大小； 根据X轴、Y轴、Z轴上的所述外部力的大小得出所述光纤光栅力觉传感器所需检测的预 设测量系数的变化量。15. 根据权利要求13或14所述的机器人传感测量方法，其特征在于，所述预设测量系数 包括所述外部力的大小和力矩、应变、温度、电压、振动或/和加速度。
【文档编号】G01D5/32GK105841721SQ201610163669
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】戴忠华, 洪振旻, 黄卫刚, 王勤湖, 冯文彪, 张凤斌, 张宇宏, 朱钢, 张力, 朱佳佳, 周军, 高峰, 李恒, 钟声, 王文奎
【申请人】中广核核电运营有限公司, 中国广核集团有限公司, 中国广核电力股份有限公司