[發(fā)明專利]一種三維力傳感器及測量方法

在審

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• 申請日: 2021-04-24
• 公開（公告）號: CN113188703A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳圣攀;張鵬;洪韜;宮海波;張獻禮;陳涌鑫;白衛(wèi)星
• 申請（專利權(quán)）人: 首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16;G01L1/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種三維力傳感器，其特征在于，所述力傳感器包括：底座、中心柱、應(yīng)變彈性體、貼片溫度傳感器、第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵；

應(yīng)變彈性體包括外圓環(huán)、內(nèi)圓環(huán)和平面應(yīng)變梁；所述平面應(yīng)變梁包括四個水平梁，四個水平梁呈十字型結(jié)構(gòu)布置；四個水平梁的一端均與所述外圓環(huán)的內(nèi)壁連接，四個水平梁的另一端均與所述內(nèi)圓環(huán)的外壁連接；所述外圓環(huán)通過螺紋連接的方式安裝在機器人的關(guān)節(jié)部位上；

所述中心柱的底面垂直固定在所述底座的中心，所述中心柱的頂面從所述內(nèi)圓環(huán)的中部穿過，且所述中心柱與所述內(nèi)圓環(huán)之間間隙配合；

所述貼片溫度傳感器設(shè)置在所述中心柱的頂面上；所述貼片溫度傳感器用于測量所述第一光纖光柵、所述第二光纖光柵和所述第三光纖光柵所在的環(huán)境溫度；

所述第一光纖光柵、所述第二光纖光柵分別設(shè)置在平面應(yīng)變梁的相垂直的兩個水平梁上，所述第三光纖光柵設(shè)置在所述中心柱的側(cè)面上；所述第一光纖光柵用于測量第一維方向上的力，所述第二光纖光柵用于測量第二維方向上的力，所述第三光纖光柵用于測量第三維方向上的力。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力傳感器，其特征在于，所述外圓環(huán)、所述內(nèi)圓環(huán)和所述平面應(yīng)變梁為一體結(jié)構(gòu)且采用彈性材料制成，所述中心柱的材料也為彈性材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力傳感器，其特征在于，所述第一光纖光柵和所述第二光纖光柵分別粘貼于相垂直的兩個水平梁的上表面且靠近內(nèi)圓環(huán)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力傳感器，其特征在于，所述第一光纖光柵、所述第二光纖光柵和所述第三光纖光柵通過光纖依次連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維力傳感器，其特征在于，所述力傳感器還包括：上端蓋；

所述上端蓋卡緊在所述外圓環(huán)的內(nèi)壁中；

所述上端蓋開設(shè)一通孔，所述光纖的首端和尾端均穿過所述通孔與外部解調(diào)設(shè)備相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力傳感器，其特征在于，所述力傳感器還包括：外殼；

所述外殼固定在所述外圓環(huán)與所述底座之間。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力傳感器，其特征在于，所述底座上開設(shè)螺紋孔，所述底座通過所述螺紋孔安裝在機器人的關(guān)節(jié)部位上。

8.一種三維力傳感器測量方法，其特征在于，應(yīng)用于權(quán)利要求1-7任一項所述的三維力傳感器，所述方法包括：

通過三維力傳感器的貼片溫度傳感器測量第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵所在的環(huán)境溫度；

根據(jù)所述環(huán)境溫度，計算三維力傳感器中發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵在所述環(huán)境溫度下所產(chǎn)生的第一中心波長漂移量；所述發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵為第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵中的其中一個、兩個或三個；所述發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)為相垂直的兩個水平梁、中心柱中的其中一個、兩個或三個；

根據(jù)發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵的中心波長偏移量與所述第一中心波長偏移量的差值，計算發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵所對應(yīng)維度方向上的力。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維力傳感器測量方法，其特征在于，根據(jù)所述環(huán)境溫度，計算三維力傳感器中發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵在所述環(huán)境溫度下所產(chǎn)生的第一中心波長漂移量，具體包括：

根據(jù)所述環(huán)境溫度，利用公式計算三維力傳感器中發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵在所述環(huán)境溫度下所產(chǎn)生的第一中心波長漂移量；

其中，T為環(huán)境溫度，T₀為初始溫度，K_T為發(fā)生彈性形變的結(jié)構(gòu)上的光纖光柵的溫度靈敏度，Δλ₁為第一中心波長漂移量。