[发明专利]一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于光纤光栅的机器人指部多维力传感装置及方法，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。本发明有在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。

技术领域

本发明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及方法。

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

本发明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及方法，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，本发明的技术方案是：

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。