[发明专利]多维力传感器

说明书

本发明属于传感器领域，具体涉及一种多维力传感器，旨在解决现有多维力传感器维间耦合程度高、不具备柔性特性、成本高、工艺复杂等问题。本发明多维力传感器包括依次连接的顶盖、感应单元和壳体，所述底壳与顶盖之间形成有容纳空间；光源和光敏传感器组分别装设于顶盖和壳体的两相对面，光敏传感器组与光源相间分布。光敏传感器的光敏区域接收光源的光；当有力或力矩作用于壳体和顶盖之间时，光敏传感器接收到的光强会不同程度的变化。本发明多维力传感器可以通过将感应单元设置为柔性材料以实现将传感器设计成柔性器件，传感器维间耦合低、结构简单、制作成本低、易于批量化生产。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种多维力传感器。

背景技术

多维力传感器可以获取施力物体和接触物体在三维空间内的复杂力信息；特别地，在多维力传感器中，六维力传感器可以获取全力信息。多维力传感器在机器人感知、自主控制、智能医疗等领域具有广阔的应用前景。随着机器人智能程度的提高，其在与人交互的场景中应用越来越广。

现有多维力传感器研究主要集中在刚性传感器，且多数采用应变片实现对多维力的感知。现有多维传感器或是存在维间耦合明显，给各维力的辨识带来难度的问题。或是结构复杂，制作成本高。另外现有传感器无法设计成柔性器件，人机交互感差，不适合用于与人直接接触的应用场合，例如医疗器械领域。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中多维力传感器维间耦合程度高、不具备柔性特性、成本高、工艺复杂等问题，本发明提供了一种多维力传感器包括依次连接的顶盖、感应单元和壳体，所述感应单元位于所述壳体与所述顶盖形成的容纳空间内，其中：

所述容纳空间内还设置有沿所述感应单元周向均匀分布地若干个光源、光敏传感器组和径向遮光板，所述光源数量与所述光敏传感器组数量相同；

所述光源和所述光敏传感器组分别装设于所述顶盖和所述壳体的两相对面，所述遮光板用于将所述容纳空间均匀分隔成若干个测量空间，阻挡非相邻区域的光传入相应测量空间内。各所述光敏传感器组均匀分布于各所述测量空间内，各所述光源均匀设置于所述遮光板正上方；

所述光源为至少发出两种光信号的发光体，所述光敏传感器组包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均为对至少两种光信号敏感的光敏感元件，所述第一传感器与所述第二传感器的敏感光信号不同，所述光信号包括波长或颜色；

所述光敏传感器组通过检测光照强度变化以检测所述多维力传感器所受的力和/或力矩的方向和大小。

在一些优选技术方案中，所述遮光板的高度小于所述壳体底部与所述顶盖之间的高度。

在一些优选技术方案中，所述壳体包括底壳和外壳，所述外壳为柔性波纹管状结构。

在一些优选技术方案中，所述底壳、所述感应单元和所述顶盖中心在一条轴线上。所述光源以及所述光敏传感器设置在所述容纳空间中；所述光源沿所述顶盖下平面均匀分布，所述光敏传感器沿所述底壳上平面均匀分布；

在一些优选技术方案中，所述光源设置有至少两种不同颜色，所述光源和所述光敏传感器组的数量至少为两个。

在一些优选技术方案中，各所述光源绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；各所述光敏传感器组绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；所述光源的个数为两个，所述光敏传感器组的个数为两个。此种设置方式可以检测四维力信息。增加光源和光敏传感器组的数量可增加对不同力的检测个数。

在一些优选技术方案中，各所述光源绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；各所述光敏传感器组绕所述感应单元均匀分布且位于同一平面；所述光源的个数为四个，所述光敏传感器组的个数为四个。此种设置方式可以检测六维力信息。

在一些优选技术方案中，所述传感器底壳为壳状结构，所述感应单元为方体结构或圆柱体结构，所述顶盖为片状结构。