一种结构解耦型六维力传感器及其测量方法

摘要

本发明提供一种结构解耦型六维力传感器及其测量方法，包括球体限位盖、上下圆环体、八个梁组件、中心半球形转体、底座；上下圆环体呈上下两层分别通过四个梁组件与中心半球形转体相连，底座上设有与中心半球形转体相匹配的凹槽且与下圆环体相连，球体限位盖将中心半球形转体限制在其内侧和底座的凹槽中并与底座相连，通过半球形转体的转动使力与力矩分别作用在上下弹性梁上，进而实现了六维力和力矩测量信息的解耦输出。与传统的滑移解耦结构相比，主体结构对称性好，易于加工制造，有过载保护能力，并且有效地解决了滑移过程中存在不当接触力的问题。本发明采用光纤光栅作为检测应变的元件，具备了抗电磁干扰、外形小、易复用等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构解耦型六维力传感器及其测量方法，属于涉及传感器领域。

背景技术

六维力/力矩传感器是一种能同时测量空间三维正交力和三维正交力矩的力传感器，是20世纪70年代以来随着机器人技术的发展而出现的一种新的传感器。对六维力/力矩传感器的研究起初是为了使机器人能够应用于更复杂的任务，后来也被应用于土木工程，航空航天，国防军事，机械加工，汽车制造，医疗器械等各个领域。随着工业信息化的不断发展，六维力/力矩传感器需要在各场景下面对越来越多样化的任务要求，因此对多维力传感器的要求越来越高。

早期的传感器结构不同维度之间的耦合干扰会导致的不同轴之间的高交叉灵敏度，这在很大程度上会影响传感器的精度，导致需要复杂的标定测试和解耦算法来获得解耦矩阵，影响结果获取的速度。因此设计特殊的结构来最小化传感器的固有耦合成为了一个亟待解决的问题。

目前六维力传感器为了提高传感器的精度和灵敏度，降低维间耦合影响的结构设计普遍存在结构复杂、加工装配困难、结构安全性低、存在不当接触力等问题；如中国专利CN208867192U和中国专利CN 103487194 A采用空间正交结构来降低耦合，但是存在结构较为复杂，加工装配复杂的缺点；中国专利CN 105181193 A和中国专利CN 208595994 U在结构中加入柔性薄壁圆筒和柔性铰链来解耦，但是存在安全性差、无过载保护和传感器易损坏的问题；中国专利CN 104048790 A和中国专利CN 102095534 A采用相对滑动结构来实现解耦，但是这种矩形凹槽的相对位移会因为偏转等不当接触产生额外力影响解耦效果，所以对主体结构仍需要进一步改进。

本发明的六维力传感器，结构简单紧凑，实现了力和力矩的解耦，并且有过载保护能力，具有很广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六维力传感器及其主体结构，以解决上述问题。同时也提供一种光纤光栅六维力传感器的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：包括球体结构、底座、球体限位盖，所述球体结构包括中心半球形转体、梁组件和上下布置的两个圆环体，梁组件分上下两层分别连接于两个圆环体的内壁与中心半球形转体的外壁之间，且每层梁组件等间隔设置，所述梁组件包括与圆环体连接的外矩形梁、与中心半球形转体连接的内矩形梁、连接外矩形梁和内矩形梁的传力块，所述底座设置在于中心半球形转体的下方，且在底座的中心处有与中心半球形转体匹配的凹槽；所述球体限位盖的内侧形状与中心半球形转体匹配，在梁组件上设置有光纤光栅。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述梁组件有八个，分两层设置，每层的梁组件之间的夹角为90度。

2.每个梁组件的内矩形梁和外矩形梁垂直设置。

3.在梁组件上设置有光纤光栅是指：上层内矩形梁分别布置有第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，在下层内矩形梁分别布置有第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅和第八光纤光栅，在任意一个下层外矩形梁靠近传力块的两侧面上对称布置有第九光纤光栅和第十光纤光栅，在上层外矩形梁布置第十一光纤光栅和第十二光纤光栅。

4.首先以中心半球形转体上表面中心为参考点在上层圆环体上施加力或者力矩，然后结构受力变形导致第一至第十二光纤光栅的中心反射波长发生偏移，测得各个波长偏移量，最后通过波长偏移量计算所施加的力或者力矩，其中所述第一光纤光栅和第三光纤光栅的波长漂移量的差值信号Δλ13＝Δλ1-Δλ3，用于计算Fx信号；第二光纤光栅和第四光纤光栅的波长漂移量的差值信号Δλ24＝Δλ2-Δλ4，用于计算Fy信号；第五光纤光栅和第七光纤光栅的波长漂移量的差值信号Δλ57＝Δλ5-Δλ7，用于计算My信号；第六光纤光栅和第八光纤光栅的波长漂移量的差值信号Δλ68＝Δλ6-Δλ8，用于计算Mx信号；第九光纤光栅和第十光纤光栅的波长漂移量的差值信号Δλ910＝Δλ9-Δλ10，用于计算Mz；第十二光纤光栅的波长漂移量与第十一光纤光栅的波长漂移量的和值信号Δλ1112＝Δλ11+Δλ12，用于计算Fz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有的采用双十字梁及弹性铰链等解耦手段的六维力传感器，本发明在传统十字梁结构的基础上，结合滑移结构的思想，通过使用球形结构的三维转动，不存在因为不当的接触而导致额外误差的产生，实现解耦的要求，整体结构紧凑，对称性好，易于加工装配，通用性强。

本发明主体结构采用了过载保护装置，上下弹性体之间、梁结构与球体限位盖之间都存在一定距离，限制其变形量过大时导致传感器失效，与现有的采用螺钉及销轴等过载保护手段相比，具有结构简单，加工要求低，过载保护效果好等优点。

本发明所提供的光纤光栅六维力传感器，其光纤光栅元件的数量仅为12个，与电阻应变计组桥测量原理的传感器一般需要24个应变片相比，敏感元件的数量减少了一倍。同时，光波长信息作为传感器的输出信号，具备了抗电磁干扰、外形小、易复用等优势。

本申请提供的测量方法使用12个光纤光栅构成的六组光纤光栅的波长值输出信息，实现了六维力和力矩测量信息的自动除耦输出。因此本发明减小了维间耦合，实现了自解耦测量三维力和三维力矩。

附图说明

图1是本发明的的传感器整体结构示意图；

图2是本发明的传感器的正视图；

图3是本发明的传感器的球体结构；

图4是本发明的传感器底座示意图；

图5是本发明的传感器球体限位盖示意图；

图6为传感器的上层梁布置的光纤光栅示意图；

图7为传感器的下层梁布置的光纤光栅示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明包括：

球体结构，所述球体结构包括中心半球形转体、上下八个梁组件和两个圆环体，所述主体结构具有相互垂直的第一轴向、第二轴向和第三轴向形成三维坐标系，所述外圆环体和中心半球形转体的对称中心线方向为第三轴，所述八个梁组件分上下两层连接于外圆环体的内壁与中心球体的外壁之间，且每层四个梁组件之间分别间隔90°，每层其中两个梁组件沿第二轴方向设置，另两个梁组件沿第一轴向设置；所述梁组件包括连接于外圆环体的外矩形梁、连接于内圆环筒的内矩形梁和连接于两者之间的传力块；

底座，所述底座包括连接于中心球体的下方，且在中心处有与中心球体匹配的凹槽；

以及球体限位盖，所述球体限位盖包括四个相同的部分，其内侧形状有球体形状匹配。

作为所述主体结构的进一步改进，上层沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第二轴的长度，其沿第二轴向的长度为其沿第三轴向长度的3倍以上；上层沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向方的长度大于其沿第一轴向的长度；其沿第一轴向的长度为沿第三轴向长度的3倍以上；上层沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第三轴向的长度，其沿第三轴向的长度为其沿第二轴向长度的3倍以上；上层沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第二轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；其沿第三轴向的长度为其沿第一轴向长度的3倍以上。下层沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第二轴的长度，其沿第三轴向的长度为其沿第二轴向长度的3倍以上；下层沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向方的长度大于其沿第一轴向的长度，其沿第三轴向的长度为沿第一轴向长度的3倍以上；下层沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第三轴向的长度，其沿第二轴向的长度为其沿第三轴向长度的3倍以上；下层沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第二轴向的长度大于其沿第三轴向的长度，其沿第一轴向的长度为其沿第三轴向长度的3倍以上。

作为所述主体结构的进一步改进，所述上层内外矩形梁结构整体为下层内外矩形梁尺寸的两倍；

作为所述主体结构的进一步改进，所述传力块沿第一轴向设置时，其沿第一轴向的厚度为上层外矩形梁沿第三轴向长度的2倍以上，为下层外矩形梁沿第二轴向长度的2倍以上；所述传力块的两个侧面与对应的外矩形梁的两个侧面平齐，且上层外矩形梁位于传力块沿第三轴向长度的中央，下层外矩形梁位于传力块沿第二轴向长度的中央；所述传力块的两个侧面与内矩形梁的两个侧面平齐，且上层内矩形梁位于传力块沿第二轴向长度的中央，下层内矩形梁位于传力块沿第三轴向长度的中央；

作为所述主体结构的进一步改进，所述中心球体、梁组件和圆环体为弹性材料制成的一体式结构，所述的球体限位盖与底座机械配合，并采用激光点焊固定。

作为所述主体结构的进一步改进，所述的球体限位盖与底座连接时，球体限位盖与传力块距离为传力块第二轴向长度的一半；

本申请提供的光纤光栅六维力传感器，包括上述任一项所述的主体结构和敏感检测元件，所述敏感检测元件为光纤光栅，在上层内矩形梁分别布置有第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2、第三光纤光栅FBG3和第四光纤光栅FBG4，且第一光纤光栅FBG1和第三光纤光栅FBG3位于第一轴向内矩形梁上侧所在平面内，第二光纤光栅FBG2和第四光纤光栅FBG4位于第二轴向内矩形梁上侧所在平面内；在下层内矩形梁分别布置有第五光纤光栅FBG5、第六光纤光栅FBG6、第七光纤光栅FBG7和第八光纤光栅FBG8，且第五光纤光栅FBG5和第七光纤光栅FBG7位于第一轴向内矩形梁侧面所在平面内，第六光纤光栅FBG6和第八光纤光栅FBG8位于第二轴向内矩形梁侧面所在平面内；

在任意一个下层外矩形梁靠近传力块的两侧面上对称布置有第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10；

若在沿第一轴向的下层内矩形梁上布置第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10，则第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10为平行于第一轴向布置；

若在沿第二轴向的下层内矩形梁上布置第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10，则第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10为平行于第二轴向布置；

在上层外矩形梁布置第十一光纤光栅FBG11和第十二光纤光栅FBG12，且位于外矩形梁第一轴向和第三轴向所在平面内

作为所述光纤光栅六维力传感器的进一步改进，第一至第十二光纤光栅FBG1-FBG12)上刻有光栅处全部粘贴；

如图1所示，传感器包括主体结构和敏感检测元件。

该主体结构包括球体结构1、底座2、球体限位盖3。

其中球体结构1为一体式加工而成整体型弹性结构，底座2和球体限位盖3为独立零件，与球体结构1下层的外圆环体8配合后采用激光点焊固定，球体限位盖3只起到限制球体结构1中的中心半球形转体6的作用，而无弹性变形功能。图1是装配、固定完毕后的传感器示意图。

如图1中的标示，主体结构具有相互垂直的第一轴向、第二轴向和第三轴向形成三维坐标系(即以底座2的底面的圆心为原点0定义一个XYZ三维坐标系，X轴为第一轴，Y轴为第二轴，Z轴为第三轴)，上层外圆环体7和中心半球形转体6的对称中心线方向为第三轴。

图3为传感器中心球体示意图，详细的展示了上弹性盘4的结构和位置关系，上弹性盘4包括有上层外圆环体7、上层外矩形梁9、传力块10、上层内矩形梁11。下弹性盘5的结构和位置关系，下弹性盘5包括有下层外圆环体8、下层外矩形梁12、传力块10、下层内矩形梁14。

其中，上层外矩形梁9、上层内矩形梁11和传力块10组成上层梁组件，下层外矩形梁9、下层内矩形梁11和传力块10组成下层梁组件，本实施例共有八个梁组件，上层四个梁组件连接于外圆环体7的内壁与中心半球形转体6的外壁之间，下层四个梁组件连接于下层外圆环体8的内壁与中心半球形转体6的外壁之间，且每层四个梁组件之间分别间隔90°，上下层弹性盘之间存在一定距离。

上层外圆环体7上设有与上层外矩形梁9对应的螺纹孔作为加载环，外矩形梁分别沿X轴或Y轴设置，内矩形梁分别沿X轴或Y轴设置。上弹性盘4与下弹性盘5关于XOZ平面以及YOZ平面对称。

上层外矩形梁9、上层内矩形梁11、下层外矩形梁12和下层内矩形梁14均为薄壁结构，沿Y轴方向设置的上层外矩形梁9中，其沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，其沿Y轴方向的长度为其沿Z轴方向长度的3倍以上；沿Y轴方向设置的上层外矩形梁9中，其沿Y轴方向的长度大于其沿X轴方向的长度；其沿X轴方向的长度为沿Z轴方向长度的3倍以上；沿X轴方向设置的上层内矩形梁11中，其沿X轴方向的长度大于其沿Z轴方向的长度，其沿Z轴方向的长度为其沿Y轴方向长度的3倍以上；沿Y轴方向设置的上层内矩形梁11中，其沿Y轴方向的长度大于其沿Z轴方向长度；其沿X轴方向的长度为其沿X轴方向长度的3倍以上。沿Y轴方向设置的下层外矩形梁12中，其沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，其沿Z轴方向的长度为其沿Y轴方向长度的3倍以上；沿Y轴方向设置的下层外矩形梁12中，其沿Y轴方向的长度大于其沿X轴方向的长度，其沿Z轴方向的长度为沿X轴方向长度的3倍以上；沿X轴方向设置的下层内矩形梁14中，其沿X轴方向的长度大于其沿Z轴方向的长度，其沿Y轴方向的长度为其沿Z轴方向长度的3倍以上；沿Y轴方向设置的下层内矩形梁14中，其沿Y轴方向的长度大于其沿Z轴方向的长度，其沿X轴方向的长度为其沿Z轴方向长度的3倍以上。

上层外矩形梁9沿Z轴方向的长度与沿X轴方向布置的上层内矩形梁11沿Y轴方向的长度或者沿Y轴方向布置的上层内矩形梁11沿X轴方向的长度相同。

下层外矩形梁12沿Z轴方向的长度与沿X轴方向布置的下层内矩形梁14沿Y轴方向的长度或者沿Y轴方向布置的下层内矩形梁14沿X轴方向的长度相同。

沿X轴方向布置上层内矩形梁11沿X轴方向长度是沿X轴方向布置下层外矩形梁9沿X轴方向长度的两倍；沿X轴方向布置上层外矩形梁9沿Z轴方向长度是沿X轴方向布置下层内矩形梁14沿Z轴方向长度的两倍；

传力块10的两个侧面与上层外矩形梁9的两个侧面平齐，且沿X轴方向上层外矩形梁9位于传力块10沿z轴方向高度的中央；传力块10的上下表面与上层内矩形梁11的上下两个表面平齐，且沿X轴方向布置的上层内矩形梁11位于传力块10沿Y轴方向长度的中央；

传力块10的两个侧面与下层内矩形梁14的两个侧面平齐，且沿X轴方向下层内矩形梁14位于传力块10沿z轴方向高度的中央；传力块10的上下表面与下层外矩形梁14的上下两个表面平齐，且沿X轴方向布置的下层外矩形梁14位于传力块10沿Y轴方向长度的中央；

上层外圆环体7的上表面与上层内矩形梁14上表面、中心半球形转体6的上表面平齐；

如图4所示，底座2的中心设置有与球体限位盖3相匹配的凹槽15，且凹槽15的深度为中心半球形转体6半径的三分之一；

如图5所示，球体限位盖3包括四块相同的结构，球体限位盖3的下表面与底座2的上表面平齐；球体限位盖3的内表面与中心半球形转体6的侧面相贴合且中心半球形转体6能沿球体限位盖3内表面自由旋转；球体限位盖3的上表面高于中心半球形转体6的上表面；

本发明传感器的敏感检测元件为光纤光栅，在传感器弹性结构的特定位置上布置光纤光栅后，利用光纤光栅的波长输出来测量三维力和三维力矩。

如图6、7所示，在沿X轴方向的两个上层内矩形梁11靠近传力块10的侧面沿上弹性盘4径向布置第一光纤光栅FBG1和第三光纤光栅FBG3；同样地，在沿Y轴方向的两个上层内矩形梁11靠近传力块10的侧面处沿上弹性盘4径向布置有光纤光栅第二光纤光栅FBG2和第四光纤光栅FBG4；

在沿X轴方向的两个下层内矩形梁14靠近传力块10的上表面处沿下弹性盘5径向布置第五光纤光栅FBG5和第七光纤光栅FBG7；同样地，在沿Y轴方向的两个下层内矩形梁14靠近传力块10的上表面处沿下弹性盘5径向布置有光纤光栅第六光纤光栅FBG6和第八光纤光栅FBG8；

在任意一个下层外矩形梁12靠近传力块10的两侧面上对称布置光纤光栅第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10，并且第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10沿下弹性盘5的径向布置；

在任意在同一轴向的两个个上层外矩形梁9靠近传力块10的上表面处对称布置光纤光栅第十一光纤光栅FBG11和第十二光纤光栅FBG12，并且第十一光纤光栅FBG11和第十二光纤光栅FBG12X轴方向布置；

本申请提供的用于光纤光栅六维力传感器的测量方法，所述光纤光栅六维力传感器采用所述的光纤光栅六维力传感器，力和力矩的测量步骤如下：首先以中心半球形转体上表面中心为参考点在上层圆环体上施加力或者力矩，然后结构受力变形导致第一至第十二光纤光栅的中心反射波长发生偏移，测得各个波长偏移量，最后通过波长偏移量计算所施加的力或者力矩，其中所述第一光纤光栅FBG1和第三光纤光栅FBG3的波长漂移量的差值信号Δλ13＝Δλ1-Δλ3，用于计算Fx信号；第二光纤光栅FBG2和第四光纤光栅FBG4的波长漂移量的差值信号Δλ24＝Δλ2-Δλ4，用于计算Fy信号；第五光纤光栅FBG5和第七光纤光栅FBG7的波长漂移量的差值信号Δλ57＝Δλ5-Δλ7，用于计算My信号；第六光纤光栅FBG6和第八光纤光栅FBG8的波长漂移量的差值信号Δλ68＝Δλ6-Δλ8，用于计算Mx信号；第九光纤光栅FBG9和第十光纤光栅FBG10的波长漂移量的差值信号Δλ910＝Δλ9-Δλ10，用于计算Mz；第十二光纤光栅FBG12的波长漂移量与第十一光纤光栅FBG11的波长漂移量的和值信号Δλ1112＝Δλ11+Δλ12，用于计算Fz。

本发明自解耦测量三维力和力矩信息的原理如下：

FBG1和FBG3组合为一对测量单元，FBG1、FBG3各自波长漂移量的差值输出用于测量x方向的力Fx。FBG1、FBG3波长漂移量的差值输出只对Fx敏感，这是由于：

1.当有x方向的力Fx作用于作为加载环的上层外圆环体上时，FBG1与FBG3分别处于上弹性盘的变形两侧，FBG1与FBG3的波长漂移大小相等但方向相反。将波长漂移量的差值作为测量单元的输出信号，不但提高了测量灵敏度，而且，由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后消除；

2.而当有y方向的力Fy作用时，FBG1、FBG3波长无漂移，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；当有z方向的力Fz作用时，FBG1与FBG3波长漂移同向且等值，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；

3.当有绕X轴方向的力矩Mx作用时，变形主要集中在下弹性盘中沿Y轴布置的内矩形梁上，上弹性盘变形不明显，FBG1、FBG3的波长漂移对Mx不敏感，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；

4.当有绕Y轴方向的力矩My作用时，变形主要集中在下弹性盘中沿X轴布置的内矩形梁上，上弹性盘变形不明显，FBG1、FBG3的波长漂移对My不敏感，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；

5.当有绕Z轴方向的力矩Mz作用时，变形主要集中在下弹性盘中的外矩形梁上，上弹性盘变形不明显，FBG1、FBG3的波长漂移对Mz不敏感，而且即使上弹性盘变形有微扭转变形，FBG1与FBG3所处的变形状态也一致，波长漂移一致，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；

可见，FBG1和FBG3组成的测量单元的波长漂移量的差值输出实现了只对Fx敏感的自解耦测量。相同的分析方法，将传感器沿Z轴旋转90°，可知FBG2和FBG4组成的测量单元的波长漂移量的差值输出可实现只对Fy敏感的自解耦测量。

FBG5和FBG7组合为一对测量单元，FBG5、FBG7各自波长漂移量的差值输出用于测量绕Y轴方向的力矩My：

1.当有绕Y轴方向的力矩My作用于作为加载环的上层外圆环体上时，沿X轴方向的两个下层内矩形梁变形明显，FBG5与FBG7布置处产生大小相同、符号相反的应变，FBG5与FBG7的波长漂移大小相等但方向相反，波长漂移量的差值作为测量单元的输出信号，不仅提高了测量灵敏度，而且由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后消除；

2.而当有x或y方向的力Fx或Fy作用时，下层弹性盘由于中心半球形转体在凹槽中被限制移动而无明显变形，FBG5、FBG7的波长漂移对Fx和Fy不敏感，FBG5与FBG7波长漂移量的差值无输出；

3.当有z方向的力Fz作用时，四个下层内矩形梁变形趋势一致，FBG5、FBG7布置处产生大小相同、符号相同的应变，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；

4.当有绕X轴方向的力矩Mx作用时，FBG5和FBG7所在的沿X轴方向的两个下层内矩形梁所处的变形状态一致，FBG5、FBG7产生相同的波长漂移，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；

5.当有绕Z轴方向的力矩Mz作用时，FBG5和FBG7所在的沿X轴方向的两个下层内矩形梁无明显变形，而且即使产生微弱变形，FBG5、FBG7布置处的变形状态也一致，FBG5、FBG7产生相同的波长漂移，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；

可见，FBG5和FBG7组成的测量单元的波长漂移量的差值输出实现了只对My敏感的自解耦测量。相同的分析方法，将传感器沿Z轴旋转90°，可知FBG6和FBG8组成的测量单元的波长漂移量的差值输出可实现只对Mx敏感的自解耦测量。

FBG9和FBG10组合为一对测量单元，FBG9、FBG10各自波长漂移量的差值输出用于测量绕Z轴方向的力矩Mz：

1.当有绕Z轴方向的力矩Mz作用于作为加载环的上层外圆环体时，布置有FBG9和FBG10的下层外矩形梁发生主要形变，FBG9与FBG10布置处产生大小相同、符号相反的应变，FBG9与FBG10的波长漂移大小相等但方向相反，波长漂移量的差值作为测量单元的输出信号，提高了测量灵敏度，由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后也被消除；

2.而当有x或y或z方向的力Fx或Fy或Fz作用时，变形主要发生于上弹性盘，下弹性盘由于中心球体被凹槽和球体限位盖的限制而无明显变形，FBG9、FBG10的波长漂移对Fx、Fy和Fz不敏感，FBG9与FBG10波长漂移量的差值无输出；

3.而当有绕X轴或Y轴方向的力矩Mx或My作用时，FBG9、FBG10布置处发生的变形状态一致，FBG9、FBG10产生相同的波长漂移，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；

可见，FBG9和FBG10组成的测量单元的波长漂移量的差值输出实现了只对Mz敏感的自解耦测量。

FBG11和FBG12组合为一对测量单元，用于测量z方向的力Fz：

1.当有z方向的力Fz作用于作为加载环的上层外圆环体时，变形主要集中在上弹性盘，两个上层外矩形梁变形明显，FBG11与FBG12布置处产生大小相同、符号相同的应变，FBG11与FBG12的波长漂移大小相等方向也相同，波长漂移量的和值作为测量单元的输出信号，提高了测量灵敏度；

2.而当有沿x或y方向的力Fx或Fy作用时，由于FBG11与FBG12沿Z轴方向布置，变形不明显；

3.当有绕X轴、Y轴和Z轴方向的力矩Mx、My和Mz作用时，由于中心球体在凹槽和球体限位盖中发生旋转，变形主要集中于下弹性盘，FBG12波长无漂移；

可见，FBG11和FBG12组成的测量单元的输出实现了只对Fz敏感的自解耦测量。

综上，本发明公开一种结构解耦型六维力传感器的主体结构，包括球体限位盖、上下圆环体、八个梁组件、中心半球形转体、底座；上下圆环体呈上下两层分别通过四个梁组件与中心半球形转体相连，底座上设有与中心半球形转体相匹配的凹槽且与下圆环体相连，球体限位盖将中心半球形转体限制在其内侧和底座的凹槽中并与底座相连，通过半球形转体的转动使力与力矩分别作用在上下弹性梁上，进而实现了六维力和力矩测量信息的解耦输出。与传统的滑移解耦结构相比，本申请所提供主体结构对称性好，易于加工制造，有过载保护能力，并且有效地解决了滑移过程中存在不当接触力的问题。

本申请还提供了一种光纤光栅传感器的布置方法，其光纤光栅元件的数量与电阻应变计组桥测量原理的传感器所需应变片相比测力元件的数量少了一倍。同时，采用光纤光栅作为检测应变的元件，具备了抗电磁干扰、外形小、易复用等优势。