基于光纤光栅的低耦合六维力_力矩传感器研究.pdf

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基于光纤光栅的低耦合六维力力矩传感器研究

摘要

随着人类社会步入全新的信息技术时代，对于外界环境的感知和利用的需求越来越

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高，力学传感器作为人类感知外界环境的重要工具和手段一直备受关注。自世纪

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年代以来，由于能够测量全面的力力矩信息，六维力力矩传感器在不同领域得到了迅

速发展。但由于设计的结构和加工误差等因素，难以避免的会存在维间耦合，这是限制

传感器精度的一个关键问题。本文基于光纤布拉格光栅作为传感器件，设计了一种低耦

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合六维力力矩传感器的弹性体结构以及测量方法，并对其静动态与温度特性等方面进

行仿真和实验研究，主要内容如下：

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首先，针对六维力力矩传感器存在的维间耦合问题设计了一种双层十字梁滑动结

构，该结构在传统的十字梁结构的基础上加入了球形滑动结构，通过滑移的思想实现力

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与力矩的分别测量，个光纤布拉格光栅布置在弹性结构上，以实现力扭矩的应变测

量。并分析了其测量原理以及传感方法。

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其次，对设计的六维力力矩传感器的结构进行了优化，并对传感器的静动态性能和

温度性能进行了有限元仿真分析，验证了传感器结构的解耦能力以及分析了结构的模态

和动态测量性能。

最后，针对传感器结构搭建了静态测量平台、动态测量平台以及温度测试平台，采

3D

用打印的方式制作了传感器结构模型验证其结构性能，验证了传感器的静动态性能

和温度性能和测试系统的适用性，获得了传感器各个维度的灵敏度、线性度、重复性误

差及维间耦合等指标，并分析了传感器的测量误差的来源，包括传感器的温度长时间波

动误差以及结构在长时间受力蠕变误差。

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本文所设计的传感器与现有的六维力力矩传感器相比，所设计的传感器采用了球

形滑动结构，减少了各种尺寸之间的耦合，简化了传感器的校准和维护。并且结构设计

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了过载保护装置，具有一定的动态测量能力，该传感器可广泛用于六维力力矩测量，对

机器人、医学和航空航天领域的应用具有重要意义。

关键词：光纤布拉格光栅；六维力/力矩；传感器；弹性体结构；低耦合

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基于光纤光栅的低耦合六维力力矩传感器研究

ABSTRACT

Ashumansocietyentersaneweraofinformationtechnology,theneedforsensingand

utilizingtheexternalenvironmentisincreasing,andmechanicalsensorshavebeenattracting

attentionasanimportanttoolandmeansforhumanperceptionoftheexternalenvironment.

Sincethe1970s,six-dimensionalforce/torquesensorshavebeenrapidlydevelopedindifferent

fieldsduetotheirabilitytomeasurecomprehensiveforce/torqueinformation.Howe