[发明专利]一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器

说明书

本发明是一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，属于光纤光栅传感技术领域。如图1所示，本发明的3个布拉格光纤光栅由FBG1、FBG2、FBG3组成，它们依次串联且特征波长分别为λ₁、λ₂和λ₃，FBG1采用双端粘贴的方法固定至轮辐A的中性轴D的+45°方向上，FBG2采用双端粘贴的方法固定至轮辐B的中性轴D的‑45°方向上，FBG3采用单端粘贴的方法固定至轮辐C的中性轴D的0°方向上。通过检测FBG1和FBG2的特征波长偏移可以得出主应力大小，且FBG3的特征波长偏移起到了温度补偿的作用，再经过主应力与扭矩的线性关系得出扭矩，以实现对机器人关节扭矩的测量。

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，设计了一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，其结构由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，用以测量机器人各个关节处的扭矩，进而实现机器人的柔性控制和人机协作。

背景技术

传感器在现代科学技术中的重要性已经越来越被认可。无论是在工业与国防领域，还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域，处处都离不开传感器的应用。多维力传感器是实现机器人类化和智能化最为重要的一种传感器，它是工程力学检测和机器人运动控制的基础，其应用范围也越来越广。而在这其中关节扭矩传感器发挥着至关重要的作用，它能够实时监测机器人各个关节处的扭矩，然后利用扭矩传感器实时反馈回来的数据与机器人动力学模型，可以实时监测操作臂与机器人是否发生了碰撞，从而采取相应的保护措施，进而实现机器人的柔性控制和人机协作。

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。以光纤光栅为敏感单元的检测器件相比传统电类检测器件有很多的优点，如低损耗、耐腐蚀性、电绝缘性等。 光纤光栅应变片由布拉格光纤光栅和金属弹性薄片基底组成，这种光纤光栅应变片相比金属箔式电阻应变片在各类场合下有明显的技术优势。因此，将光纤光栅应用于机器人关节扭矩的测量是具有意义的。

发明内容

本发明的目的在于实现机器人关节扭矩的测量，设计了一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，如图1所示。

所述的3个轮辐由轮辐A、轮辐B和轮辐C组成。

所述的3个布拉格光纤光栅由FBG1、FBG2和FBG3组成，FBG1、FBG2和FBG3依次串联且它们的特征波长分别为、和，所述的FBG1采用双端粘贴的方法固定至轮辐A的中性轴D 的+45°方向上，用于测量逆时针扭矩下的拉伸主应力与顺时针扭矩下的压缩主应力，所述的FBG2采用双端粘贴的方法固定至轮辐B的中性轴D的-45°方向上，用于测量逆时针扭矩下的压缩主应力与顺时针扭矩下的拉伸主应力，所述的FBG3采用单端粘贴的方法固定至轮辐C的中性轴D的0°方向上用以温度补偿，所述的FBG1与FBG2在粘贴前需进行预拉伸，以实现双向应变测量功能。

所述的3个布拉格光纤光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶。

附图说明

图1为用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器的二维平面及剖面图。

图2为用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器的3个布拉格光纤光栅串联光路图。

具体实施方式

下面结合图1与图2，对本发明作进一步说明。

用于机器人关节扭矩测量的温度补偿光纤光栅传感器，由外轮缘、3个轮幅、内轮缘以及3个布拉格光纤光栅组成，如图1所示。