CN109405762B - 一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业机器人技术领域，具体提供了一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置，通过在不锈钢环上铺设光纤及光纤光栅传感器，当障碍物碰撞该装置时便会引起不锈钢环变形，光纤光栅传感器便可监测到该变形。以应变为监测变量，采用光纤光栅作为碰撞监测传感器，监测灵敏，信号传输快，沿程损耗小，抗电磁干扰，机器人可在碰撞瞬间接收到制动信号；多重碰撞缓冲措施如橡胶套和弹簧，可有效减小碰撞对障碍物和机器人本体造成的冲击力，成本低廉，适合大面积推广使用，且信号的传感和传输均采用光信号，而非电信号，稳定性更高，且可避免漏电对机器人主机的损害。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置。
背景技术
随着计算机与机器人技术的发展，机器人在各行各业的应用越来越普遍，以机械臂为代表的工业机器人正在取代工人进行全程自动化操作。通常机器人的工作半径内不宜设置影响其工作的障碍物，但有时由于工作环境限制，机器人必须在某种狭小空间或设有障碍物的空间工作时(例如自动加油机器人)，相应的碰撞监测及保护措施显得十分必要，而现有的机器人大多强调从算法角度或前期轨迹规划方面来避免碰撞，这种避免碰撞的方法对于一些无规则移动的障碍物效果较差，另一种方法是在机器人表面布设各种传感器，如红外距离传感器、CCD工业相机等，上述传感器一方面价格较高，另一方面，由于机器人手臂运动速度较慢，有时即使传感器监测到障碍物的存在，由于机械臂避让速度小于障碍物运动速度，仍然会发生碰撞，而由于机械臂表面通常为刚性材料，碰撞对机械臂及障碍物都有较大的损伤。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中机器人被动碰撞监测与保护技术不足的问题。
为此，本发明提供了一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置，包括监测单元、第一连接杆组及不锈钢环，所述监测单元包括光纤光栅传感器及光纤，所述第一连接杆组包括至少两个第一连接杆，相邻两个所述第一连接杆之间通过不锈钢环固定连接，所述光纤固设在所述不锈钢环外表面，所述光纤与所述光栅光纤光栅传感器连接。
优选地，所述装置还包括碳纤维防护环、弹簧、第二连接杆组及底座，所述第二连接杆组包括至少两个第二连接杆，所述第二连接杆组与所述第一连接杆组一一对应，所述第一连接杆一端与所述碳纤维防护环内壁连接，另一端与所述弹簧一端连接，所述第一连接杆中间与所述不锈钢环固定连接，所述弹簧另一端与所述第二连接杆一端连接，所述第二连接杆另一端与所述底座连接。
优选地，所述碳纤维防护环外表面套设有橡胶套。
优选地，所述底座内表面粘接有橡胶垫片。
优选地，所述光纤与所述不锈钢环外表面之间通过环氧树脂粘接。
优选地，所述第一碳纤维杆中间位置通过第一夹片及第二夹片夹紧连接，所述第一夹片及所述第二夹片另一端均与所述不锈钢环紧固连接。
优选地，所述光纤光栅传感器至少两个，多个所述光纤光栅传感器分别一一对应靠近所述第一碳纤维杆。
优选地，所述不锈钢环包括多个，各所述不锈钢环上均粘接有光纤，所述不锈钢环两端设有凸起和凹槽，相邻两个所述不锈钢环之间通过凸起和凹槽***配合。
优选地，各所述不锈钢环外套设有橡胶套。
优选地，相邻两个所述不锈钢环之间的光纤预留长度。
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于光纤光栅的防碰撞监测装置，通过在不锈钢环上铺设光纤及光纤光栅传感器，当障碍物碰撞该装置时便会引起不锈钢环变形，光纤光栅传感器便可监测到该变形。以应变为监测变量，采用光纤光栅作为碰撞监测传感器，监测灵敏，信号传输快，沿程损耗小，抗电磁干扰，机器人可在碰撞瞬间接收到制动信号；多重碰撞缓冲措施如橡胶套和弹簧，可有效减小碰撞对障碍物和机器人本体造成的冲击力，成本低廉，适合大面积推广使用，且信号的传感和传输均采用光信号，而非电信号，稳定性更高，且可避免漏电对机器人主机的损害。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的实施例一的结构示意图；
图2是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的实施例二的结构示意图；
图3是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的实施例二的又一结构示意图；
图4是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的碳纤维防护环的结构示意图；
图5是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的第一碳纤维杆固定连接示意图；
图6是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置用于悬臂机器人的示意图；
图7是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的监测单元放大示意图；
图8是本发明基于光纤光栅的防碰撞监测装置的实施例三的结构示意图。
附图标记说明：碳纤维防护环1，光纤2，不锈钢环3，底座4，橡胶垫5，第一碳纤维杆6，弹簧护套7，弹簧8，第二碳纤维杆9，第三螺栓10，固定装置11，光栅12，凸起13，凹槽14，橡胶套15，粘接点16，第一螺栓111，第二螺栓112，第一螺母113，第二螺母114，第一夹片115，第二夹片116。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例一：
本发明实施例提供了一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置，包括监测单元、第一连接杆组及不锈钢环3，所述监测单元包括光纤光栅传感器12及光纤2，所述第一连接杆组包括至少两个第一连接杆6，相邻两个所述第一连接杆6之间通过不锈钢环3固定连接，所述光纤2固设在所述不锈钢环3外表面，所述光纤2与所述光栅光纤光栅传感器12连接。
由此可知，如图1至图3所示，光纤光栅传感器12与光纤2连接，光纤2铺设并紧固在不锈钢环3上，不锈钢环3两端连接有第一连接杆6，在本实施例中第一连接杆6为碳纤维材质，即第一碳纤维杆6，碳纤维质轻耐用，也可以用其他材质。当外界有作用力作用在第一碳纤维杆6上时，会引起不锈钢环3发生形变，该形变量远大于机器人正常摆动所引起的不锈钢环的形变量，光纤光栅传感器12能监测到该形变，然后通过光纤2将信号传递至光纤解调设备中，相应的应变信号被放大、提取后到达中控室的控制计算机上，计算机根据信号便可得知该装置受到了碰撞。在具体的实施场景中，如图1和图6所示该装置为环状，将该装置套设在机器臂上，机器臂在工作过程中碰到障碍物，该装置便能监测到，从而可以根据该监测信号来控制机器臂的安全工作。
优选的方案，所述装置还包括碳纤维防护环1、弹簧8、第二连接杆组及底座4，所述第二连接杆组包括至少两个第二连接杆9，所述第二连接杆组与所述第一连接杆组一一对应，所述第一连接杆6一端与所述碳纤维防护环1内壁连接，另一端与所述弹簧8一端连接，所述第一连接杆6中间与所述不锈钢环3固定连接，所述弹簧8另一端与所述第二连接杆9一端连接，所述第二连接杆9另一端与所述底座4连接。
由此可知，如图7所示，第二连接杆9即第二碳纤维杆9，第一碳纤维杆6一端与所述碳纤维防护环1内壁连接，另一端与所述弹簧8一端连接，所述第一碳纤维杆6中间与所述不锈钢环3固定连接，所述弹簧8另一端与所述第二碳纤维杆9一端连接，所述第二碳纤维杆9另一端与所述底座4之间通过第三螺栓10连接，在弹簧8外面套设有弹簧护套7，确保弹簧8在弹簧护套7直线伸缩运动。底座4套设在机器臂上，外界障碍物碰撞在碳纤维防护环1，导致第一碳纤维杆6向内压弹簧8，且带动不锈钢环3发生变形，光纤光栅传感器12便能监测到该变形，进而得知该装置收到了碰撞。其中，弹簧8起到碰撞缓冲作用，避免障碍物或机器臂主体结构因碰撞受损。
优选的方案，所述碳纤维防护环1外表面套设有橡胶套15。由此可知，如图1所示，橡胶套15起到缓冲的作用，保护碳纤维防护环1。
优选的方案，所述底座4内表面粘接有橡胶垫片5。由此可知，橡胶垫片5起到缓冲和防滑的作用。
优选的方案，所述光纤2与所述不锈钢环3外表面之间通过环氧树脂粘接。由此可知，环氧树脂具较强的粘接性，保证光纤2不脱落，粘接过程也比较简单。
优选的方案，所述第一碳纤维杆6中间位置通过第一夹片115及第二夹片116夹紧连接，所述第一夹片115及所述第二夹片116另一端均与所述不锈钢环3紧固连接。由此可知，如图5所示，第一碳纤维杆6通过固定装置11与不锈钢环3连接，固定装置包括第一夹片115及第二夹片116，该两个夹片将第一碳纤维杆6夹紧固定，然后通过第一螺栓111、第二螺栓112、第一螺母113及第二螺母114固定连接，也可以是焊接。
优选的方案，所述光纤光栅传感器12至少两个，多个所述光纤光栅传感器12分别一一对应靠近所述第一碳纤维杆6。由此可知，变形最快且变形最大的地方就是第一碳纤维杆6的附近，使得光纤光栅传感器12能更好的监测形变。
实施例二：
本实施例与实施例结构大体相同，不同点在于所述不锈钢环3包括多个，各所述不锈钢环3上均粘接有光纤2，所述不锈钢环3两端设有凸起13和凹槽14，相邻两个所述不锈钢环3之间通过凸起13和凹槽14***配合。由此而可知如图2至图4所示，该装置包括由三块不锈钢环3组成，相邻两个所述不锈钢环3之间通过凸起13和凹槽14***配合，还可也在配合处钻孔用螺栓固定连接。
优选的方案，各所述不锈钢环3外套设有橡胶套15。由此可知，障碍物直接碰撞在橡胶套15上，橡胶套15起到缓冲保护的作用。
优选的方案，相邻两个所述不锈钢环3之间的光纤2预留长度。如图1和2所示，两个锈钢环3之间的光纤2由于没有不锈钢环，光纤架空敷设，并预留一定的长度(即光纤不紧绷)，以防其在碰撞过程中断裂。
实施例三：
本实施例与实施例一的结构大致相同，不同在于如图8所示，不锈钢环3外套设光纤2，然后光纤2外套设碳纤维防护环1。也可以不用不锈钢环3，直接在碳纤维防护环1上设置光纤光栅传感器12。
本发明的有益效果：本发明提供的这种基于光纤光栅的防碰撞监测装置，通过在不锈钢环上铺设光纤及光纤光栅传感器，当障碍物碰撞该装置时便会引起不锈钢环变形，光纤光栅传感器便可监测到该变形。以应变为监测变量，采用光纤光栅作为碰撞监测传感器，监测灵敏，信号传输快，沿程损耗小，抗电磁干扰，机器人可在碰撞瞬间接收到制动信号；多重碰撞缓冲措施如橡胶套和弹簧，可有效减小碰撞对障碍物和机器人本体造成的冲击力，成本低廉，适合大面积推广使用，且信号的传感和传输均采用光信号，而非电信号，稳定性更高，且可避免漏电对机器人主机的损害。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：包括监测单元、第一连接杆组及不锈钢环(3)，所述监测单元包括光纤光栅传感器(12)及光纤(2)，所述第一连接杆组包括至少两个第一连接杆(6)，相邻两个所述第一连接杆(6)之间通过不锈钢环(3)固定连接，所述光纤(2)固设在所述不锈钢环(3)外表面，所述光纤(2)与所述光纤光栅传感器(12)连接；
所述装置还包括碳纤维防护环(1)、弹簧(8)、第二连接杆组及底座(4)，所述第二连接杆组包括至少两个第二连接杆(9)，所述第二连接杆组与所述第一连接杆组一一对应，所述第一连接杆(6)一端与所述碳纤维防护环(1)内壁连接，另一端与所述弹簧(8)一端连接，所述第一连接杆(6)中间与所述不锈钢环(3)固定连接，所述弹簧(8)另一端与所述第二连接杆(9)一端连接，所述第二连接杆(9)另一端与所述底座(4)连接；
所述不锈钢环(3)包括多个，各所述不锈钢环(3)上均粘接有光纤(2)，所述不锈钢环(3)两端设有凸起(13)和凹槽(14)，相邻两个所述不锈钢环(3)之间通过凸起(13)和凹槽(14)***配合；相邻两个所述不锈钢环(3)之间的光纤(2)预留长度。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：所述碳纤维防护环(1)外表面套设有橡胶套(15)。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：所述底座(4)内表面粘接有橡胶垫片(5)。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：所述光纤(2)与所述不锈钢环(3)外表面之间通过环氧树脂粘接。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：所述第一连接杆(6)中间位置通过第一夹片(115)及第二夹片(116)夹紧连接，所述第一夹片(115)及所述第二夹片(116)另一端均与所述不锈钢环(3)紧固连接。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：所述光纤光栅传感器(12)至少两个，多个所述光纤光栅传感器(12)分别一一对应靠近所述第一连接杆(6)。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的防碰撞监测装置，其特征在于：各所述不锈钢环(3)外套设有橡胶套(15)。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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