[发明专利]一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器

说明书

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，包括扭转敏感挠曲结构、一根光纤布拉格光栅以及信号处理单元，其中：扭转敏感挠曲结构具有将扭转运动转化为线性运动的功能，并可将轴向位移传递给光纤；光纤布拉格光栅在预紧力的作用下悬置于扭转敏感挠曲结构的中心轴线上，当扭转敏感挠曲结构发生旋转并产生轴向位移时，由于光纤的布置方向与该结构直线位移的运行方向相重叠，继而使得光纤可以产生更加均匀、更加灵敏、线性度较高的光纤应变信号；所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪和计算机系统，用于将光信号转化为数字信号。本发明所述的传感器具有灵敏度高、测量范围大、线性度高以及测量精确度高等特点。

技术领域

本发明涉及扭矩测量领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器。

背景技术

精确的扭矩测量已成为机器人系统的重要组成部分。伴随着现代各个学科领域的发展和进步，扭矩测量技术的实际运用范围十分广泛，它遍及到工业、农业、医学等各个领域。与其它的力学物理量相比较，扭矩的测量比较复杂和困难，但是它是各类旋转动力机械的重要工作参数，通过测量各机械设备的扭矩，不仅可以成为其他物理现象的机理，还可以有效地为被测工件提供科学数据。

旋转关节处扭矩信息的准确收集已变得必不可少，并且在估计运行状态和精确控制方面起着至关重要的作用。扭矩传感器可以为机器人旋转关节提供扭矩信息，并可进一步用于估计其工作状态，如能耗、碰撞和负载信息等。目前，扭矩传感器已广泛应用于各种机器人应用中，例如工业机器人、康复机器人、灵巧手和微创手术机器人。然而，面度对小型化和高精度的高要求，针对具有复杂功能和小尺寸设计的MIS机器人和多指机械手开发高灵敏度小型化扭矩传感器仍然具有挑战性。

为了解决传感技术存在的局限性和应用困难，光纤布拉格光栅传感器被广泛地引入和推广来实现微创手术和多指灵巧手中的扭矩传感器中。但是，该传感器仍存在测量范围小、扭矩分辨率低，传感器测量力灵敏度相对较差的问题。

发明内容

针对目前微创外科手术和多指灵巧手中缺乏交互扭矩信息的问题以及现有扭矩传感技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，该传感器可将扭转位移转化轴向位移，并将轴向位移传递给光纤，通过对光纤的应变信号进行测量，即可实现对微创手术机器人末端器械工具的负载扭矩进行实时检测。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤布拉格光栅的高精度微型扭矩传感器，包括扭转敏感挠曲结构、一根光纤布拉格光栅以及信号处理单元；其中：

所述扭转敏感挠曲结构包括顶板、底板、顶横梁、多个支撑柱以及四个斜梁；所述顶板与底板之间通过多个所述支撑柱连接固定，所述顶横梁与顶板相连接，顶横梁上设有第一光纤固定部，所述多个支撑柱分别与顶板以及底板相连接；所述四个斜梁沿顶板或底板的圆周方向间隔90°均匀布置，并与所述顶横梁以及底板相连接；每个所述斜梁与底板的倾斜角度为45°，每个所述支撑柱分别与顶板以及底板相垂直，所述底板上设有第二光纤固定部；

所述光纤布拉格光栅的两端分别固定于第一光纤固定部与第二光纤固定部上，且整体呈张紧状态悬置于所述扭转敏感挠曲结构的中心轴线上；

所述光纤布拉格光栅与信号处理单元相连接，所述信号处理单元可将光波信号转化为数字信号。

进一步地，所述支撑柱的数量为4，内部呈中心状，四个所述支撑柱分别与四个所述斜梁交错布置。

进一步地，所述顶板为圆环形结构，所述顶横梁由垂直布设的两根横梁组成。

进一步地，所述第一光纤固定部设置于顶横梁的中心位置处，所述顶横梁的中心位置设有可供光纤布拉格光栅穿过的通孔。

进一步地，所述第二光纤固定部设置于底板的中心位置处，所述底板的中心位置处设有可供光纤布拉格光栅穿过的通孔。

进一步地，所述底板为圆柱形结构。