CN101672705B

CN101672705B - 一种六维力传感器

Info

Publication number: CN101672705B
Application number: CN2009100241435A
Authority: CN
Inventors: 冯华山; 王润孝; 高军; 谭小群; 刘桉; 范阳曦; 刘超; 刘云飞
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101672705A

Abstract

一种六维力传感器，包括由圆筒形壳体和十字弹性梁构成的传感器弹性体与电阻应变片。十字弹性梁位于壳体内中心，由应变梁(1)和加载台(3)构成。上基座(6)和下基座(10)分别位于壳体两端；传力柱(7)位于壳体中间，并与上弹性梁(4)和下弹性梁(8)相连；柔性梁(2)位于传力柱之间，其内侧与应变梁连接。传感器力敏元件为上弹性梁、下弹性梁和应变梁，在力敏元件上适当位置贴装(28)片电阻应变片，其中24片应变片组成6组全桥检测电路，实现六维力信息的获取，其余4片应变片备用。本发明具有结构紧凑、刚度大、维间耦合小、精度高、动态性能好的特点，能够用于智能机器人研究、自动化检测和控制、仿生运动分析和体育运动研究。

Description

一种六维力传感器

技术领域

本发明涉及力传感器设计制造领域，具体是一种六维力传感器。

背景技术

六维力传感器能够测量三维空间的全力信息，广泛应用于智能机器人、自动控制、航空航天、仿生运动等研究领域，在工业生产、国防建设和科学技术发展中发挥着重要的作用。对于六维力传感器的研究，其核心问题是弹性体的结构设计，弹性体的结构决定着传感器的刚度、分辨率、灵敏度和动态性能等，是传感器性能优劣的关键所在。关于六维力传感器的研究，已经形成多种专利技术，如：专利CN 2233081Y中公开了一种由盘体结构和筒体结构相结合的一体化六维力/力矩传感器，具有灵敏度高、易加工等优点，但其盘体结构降低了Z向刚度，并存在一定程度的力耦合，无法实现完全解耦；专利CN 2066134U公开了一种圆筒形上下结构六维力/力矩传感器，该结构径向测力对轴向测力有较大的干扰，圆筒形结构增大了轴向尺寸，降低了传感器的动态性能；在公开号为CN 101329208A和CN 101329207A的专利中公开了两种双层上下结构六维力传感器，两者都是Stewart式并联结构组合件，具有测量原理简单、精度高、能承受较大的颠覆力矩等特点，但是结构不紧凑，体积较大，且后期数据处理较复杂。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题和缺陷，本发明提出一种六维力传感器。

本发明包括传感器弹性体和电阻应变片，弹性体由圆筒形壳体和十字弹性梁结构构成。将壳体镂空，分别形成了柔性梁、上弹性梁、传力柱、下弹性梁、上凸台、下凸台、上基座、下基座、上支撑和下支撑；十字弹性梁位于圆筒内中心处，由应变梁和加载台构成。上基座和下基座分别位于圆筒的两端。在上基座的下方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个两端为圆弧的矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有上凸台；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成上支撑；在上支撑上有贯通壳体壁的螺纹通孔。在下基座的上方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个两端为圆弧的矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有下凸台；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成下支撑；在下基座上有轴向贯通下基座和下支撑的螺纹通孔。

在壳体圆周方向有两排上下对称于壳体中心的条形孔，上排条形孔在上支撑的正下方，下排条形孔在下支撑的正上方；上排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个上凸台相邻的边对齐；下排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个下凸台相邻的边对齐。传力柱位于上凸台、下凸台之间，并由两个相邻的条形孔之间的壳体形成。上排条形孔与位于其上方有凸台的矩形孔之间的壳体形成上弹性梁；下排条形孔与位于其下方有凸台的矩形孔之间的壳体形成下弹性梁。在圆筒壳体中部每两个相邻的传力柱之间切去壳体圆弧外表面形成柔性梁；柔性梁的中部与应变梁末端连接。

加载台位于十字弹性梁中心；在加载台端面中心有一轴向贯通加载台的圆形通孔；在加载台端面的四个角上均有一个轴向贯通加载台的螺纹孔；加载台周边的四个侧面分别延伸出一根应变梁，该应变梁的末端与柔性梁相连；应变梁上有沿加载台轴向贯通的孔，用于提高应变梁的应变灵敏度。

上凸台上表面和上基座下表面之间的间隙与下凸台下表面和下基座上表面之间的间隙相等；上凸台和上基座与下凸台和下基座一起构成过载保护装置，实现过载保护功能。

在应变梁的两侧面上沿侧面径向中轴线方向靠近加载台各对称贴装应变片R1～R8，其中应变片R1、R2、R3、R4组成一组全桥检测电路a，用于检测Fy；应变片R5、R6、R7、R8组成一组全桥检测电路b，用于检测Fx；在X轴方向的两根应变梁两侧面靠近柔性梁沿X轴各对称贴装应变片R9～R12，组成一组全桥检测电路c，用于检测Mz。

在上弹性梁的上表面靠近四根上支撑的同一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R17～R20；在上弹性梁的上表面靠近四根上支撑的另一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R25～R28；并且编号为R17的应变片与编号为R25的应变片分别位于同一个上支撑的两侧，其它应变片亦按编号次序一一对称于所处的上支撑的两侧。R17和R25所处的上支撑位于传感器Y坐标轴的负方向。

在下弹性梁的下表面上靠近四根下支撑的同一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R13～R16；在下弹性梁的下表面上靠近四根下支撑的另一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R21～R24；并且编号为R13的应变片与编号为R21的应变片分别位于同一个下支撑的两侧，其它应变片亦按编号次序一一对称于所处的下支撑的两侧。R13和R21所处的下支撑位于传感器Y坐标轴的正方向。

应变片R13、R15、R17、R19组成一组全桥检测电路d，用于检测Mx；应变片R14、R16、R18、R20组成一组全桥检测电路e，用于检测My；应变片R21、R23、R25、R27组成一组Wheatstone全桥检测电路f，用于检测Fz；应变片R22、R24、R26、R28为冗余应变片，用于传感器校准或应变片缺陷补偿。

以测量Fz为例，轴向力Fz加载于十字弹性梁的加载台上表面，通过应变梁传递到与之相连的柔性梁上，柔性梁的高度尺寸远大于其厚度尺寸，Fz方向和柔性梁的高度尺寸方向一致，因此柔性梁可看做刚性梁；轴向力Fz通过周边均匀分布的四根柔性梁传递到四根传力柱上，四根传力柱同时驱动上弹性梁和下弹性梁发生弹性变形，引起贴在上弹性梁和下弹性梁上的应变片R13～R24、R25～R28发生应变，将Fz产生的弹性应变转变为电压信号。由于Fz和Mx、My在应变片R13～R24贴装点引起的应变极性不同，对应应变片产生的电压信号极性也不相同，可据此由全桥检测电路f测出Fz力。

本发明采用十字弹性梁结构和圆筒型结构相结合的形式，与十字弹性梁结构六维力传感器相比缩小了径向尺寸，与圆筒型结构六维力传感器相比缩小了轴向尺寸，从而缩小传感器的整体尺寸；该传感器的十字弹性梁用于测量Fx、Fy、Mz三维力/力矩，圆筒型上、下弹性梁用于测量Fz、Mx、My三维力/力矩，从结构上实现六维力解耦，达到直接输出效果；采用上下对称结构，消除了径向测力对轴向测力的干扰，增强了力解耦效果，增大了Z向量程和刚度，并采用上凸台和下凸台实现了传感器过载保护；整体式对称结构，提高了传感器的刚度和动态性能，减小了重复性误差，保证了传感器的测量精度。该传感器采用一体化结构，能够同时检测空间六维力，具有结构紧凑、刚度大、维间耦合小、精度高、动态性能好等优点，改变结构尺寸可满足不同场合的需要，适用于智能机器人研究、自动化检测和控制、仿生运动分析、体育运动研究领域。

附图说明

附图1是六维力传感器弹性体的结构示意图。

附图2是传感器弹性体壳体外圆周的展开示意图。

附图3是传感器弹性体壳体内圆周的展开示意图。

附图4是传感器弹性体十字弹性梁部分的应变片贴片示意图，视图为俯视图。

附图5是传感器弹性体上弹性梁部分的应变片贴片示意图，视图为从上基座下表面向下的剖视图。

附图6是传感器弹性体下弹性梁部分的应变片贴片示意图，视图为从下凸台下表面向上的剖视图。附图中，

1.应变梁 2.柔性梁 3.加载台 4.上弹性梁 5.上凸台

6.上基座 7.传力柱 8.下弹性梁 9.下凸台 10.下基座

11.上支撑 12.下支撑

具体实施方式

本实施例是用于四足仿生机器人足部的六维力传感器。

本实施例根据机器人运动要求确定量程，Fz力量程2000N，Fx、Fy力量程1500N，Mz、Mx、My力矩量程75Nm，根据量程确定出传感器弹性体关键尺寸如下：应变梁最小厚度2.3mm、上弹性梁和下弹性梁厚2mm，传感器弹性体最大外径φ45mm，总体高度32mm。

如图1所示，本实施例包括传感器弹性体和电阻应变片，弹性体由圆筒形壳体和十字弹性梁结构构成。将壳体镂空，分别形成了本实施例的柔性梁2、上弹性梁4、传力柱7、下弹性梁8、上凸台5、下凸台9、上基座6、下基座10、上支撑11和下支撑12；十字弹性梁位于圆筒内中心处，由应变梁1和加载台3构成。上基座6和下基座10分别位于圆筒的两端。如图2所示，在上基座6的下方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个两端为圆弧的矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有凸台，该凸台形成了上凸台5；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成上支撑11；在上支撑11上有贯通壳体壁的螺纹通孔。在下基座10的上方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个两端为圆弧的矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有凸台，该凸台形成了下凸台9；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成下支撑12；在下基座10上有轴向贯通下基座和下支撑12的螺纹通孔。

如图3所示，在壳体圆周方向有两排上下对称于壳体中心的条形孔；上排条形孔在上支撑的正下方，下排条形孔在下支撑的正上方；上排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个上凸台5相邻的边对齐；下排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个下凸台9相邻的边对齐。传力柱7位于上凸台5、下凸台9之间，并由两个相邻的条形孔之间的壳体形成。上排条形孔与位于其上方有凸台的矩形孔之间的壳体形成上弹性梁4；下排条形孔与位于其下方有凸台的矩形孔之间的壳体形成下弹性梁8。在圆筒壳体中部每两个相邻的传力柱7之间切去壳体圆弧外表面形成柔性梁2；柔性梁2的中部与应变梁1末端连接。

本实施例为沿圆筒壳体轴向上下对称结构，上弹性梁4、上凸台5、上基座6、上支撑11与下弹性梁8、下凸台9、下基座10、下支撑12为形状相同、方向相反的对称结构；传力柱7位于上基座6和下基座10之间。

十字弹性梁结构的外形呈十字形，中心为矩形体的加载台3；在加载台3端面中心有一轴向贯通加载台3的圆形通孔；在加载台3端面的四个角上均有一个轴向贯通加载台3的螺纹孔；加载台3周边的四个侧面分别延伸出一根应变梁1，该应变梁1的末端与柔性梁2相连；应变梁1上有沿加载台3轴向贯通的孔，用于提高应变梁1的应变灵敏度。

上凸台5上表面和上基座6下表面之间的间隙与下凸台9下表面和下基座10上表面之间的间隙相等，本实施例中取间隙0.3mm；上凸台5和上基座6与下凸台9和下基座10一起构成过载保护装置，实现过载保护功能。

如图4所示四根应变梁1上的贴片方式，在应变梁1的两侧面上沿侧面径向中轴线方向靠近加载台3各对称贴装应变片R1～R8，其中应变片R1、R2、R3、R4组成一组Wheatstone全桥检测电路a，用于检测Fy；应变片R5、R6、R7、R8组成一组Wheatstone全桥检测电路b，用于检测Fx；在Y轴方向的两根应变梁两侧面靠近柔性梁2沿Y轴各对称贴装应变片R9～R12，组成一组Wheatstone全桥检测电路c，用于检测Mz。

如图5、图6所示贴片方式，在下弹性梁8的下表面上靠近四根下支撑12的同一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片，各应变片的编号沿逆时针方向依次编为R13～R16；在下弹性梁8的下表面上靠近四根下支撑12的另一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片，各应变片的编号沿逆时针方向依次编为R21～R24；并且编号为R13的应变片与编号为R21的应变片分别位于同一个下支撑12的两侧，其它应变片亦按编号次序一一对称与所处的下支撑12的两侧。R13和R21所处的下支撑12位于传感器Y坐标轴的正方向。

在上弹性梁4的上表面靠近四根上支撑11的同一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片，各应变片的编号沿逆时针方向依次编为R17～R20；在上弹性梁4的上表面靠近四根上支撑11的另一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片，各应变片的编号沿逆时针方向依次编为R25～R28；并且编号为R17的应变片与编号为R25的应变片分别位于同一个上支撑11的两侧，其它应变片亦按编号次序一一对称于所处的上支撑11的两侧。R17和R25所处的上支撑11位于传感器Y坐标轴的负方向。

应变片R13、R15、R17、R19组成一组Wheatstone全桥检测电路d，用于检测Mx；应变片R14、R16、R18、R20组成一组Wheatstone全桥检测电路e，用于检测My；应变片R21、R23、R25、R27组成一组Wheatstone全桥检测电路f，用于检测Fz；应变片R22、R24、R26、R28为冗余应变片，用于传感器校准或应变片缺陷补偿。

以测量Fz为例，轴向力Fz加载于十字弹性梁的加载台3上表面，通过应变梁1传递到与之相连的柔性梁2上，柔性梁2的高度尺寸远大于其厚度尺寸，Fz方向和柔性梁2的高度尺寸方向一致，因此柔性梁2可看做刚性梁；轴向力Fz通过周边均匀分布的四根柔性梁2传递到四根传力柱7上，四根传力柱7同时驱动上弹性梁4和下弹性梁8发生弹性变形，如图5、图6所示，引起贴在上弹性梁4和下弹性梁8上的应变片R13～R24、R25～R28发生应变，将Fz产生的弹性应变转变为电压信号。由于Fz和Mx、My在应变片R13～R24贴装点引起的应变极性不同，对应应变片产生的电压信号极性也不相同，可据此由全桥检测电路f测出Fz力。

Claims

1.一种六维力传感器，包括传感器的弹性体和电阻应变片，弹性体由圆筒形壳体和十字弹性梁结构构成；其特征在于，组成弹性体的壳体是沿壳体轴向上下对称结构，a.将壳体镂空，分别形成了柔性梁(2)、上弹性梁(4)、传力柱(7)、下弹性梁(8)、上凸台(5)、下凸台(9)、上基座(6)、下基座(10)、上支撑(11)和下支撑(12)；十字弹性梁位于圆筒内中心处，由应变梁(1)和加载台(3)构成；

b.上基座(6)和下基座(10)分别位于圆筒的两端；在上基座(6)的下方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有上凸台(5)；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成上支撑(11)；在下基座(10)的上方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有下凸台(9)；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成下支撑(12)；传力柱(7)位于上基座(6)和下基座(10)之间；

c.在壳体圆周方向有两排上下对称于壳体中心的条形孔；上排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个上凸台(5)相邻的边对齐；下排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个下凸台(9)相邻的边对齐；上排条形孔与上方有凸台的矩形孔之间的壳体形成上弹性梁(4)；下排条形孔与下方有凸台的矩形孔之间的壳体形成下弹性梁(8)；

d.传力柱(7)位于上凸台(5)、下凸台(9)之间，并由两个相邻的条形孔之间的壳体形成；在圆筒壳体中部每两个相邻的传力柱(7)之间切去壳体圆弧外表面形成柔性梁(2)；柔性梁(2)的中部与应变梁(1)末端连接；

e.在应变梁(1)的两侧面上分别对称贴装应变片R1～R8，其中应变片R1、R2、R3、R4组成一组全桥检测电路a，用于检测Fy；应变片R5、R6、R7、R8组成一组全桥检测电路b，用于检测Fx；在X轴方向的两根应变梁两侧面靠近柔性梁(2)沿X轴各对称贴装应变片R9～R12，组成一组全桥检测电路C，用于检测Mz；

f.在下弹性梁(8)的下表面上靠近四根下支撑(12)的同一侧分别贴装有应变片R13～R16；在下弹性梁(8)的下表面分别贴装有应变片R21～R24；

g.在上弹性梁(4)的上表面分别贴装有应变片R17～R20；在上弹性梁(4)的上表面另一侧分别贴装有应变片R25～R28；

h.应变片R13、R15、R17、R19组成一组全桥检测电路d，用于检测Mx；应变片R14、R16、R18、R20组成一组全桥检测电路e，用于检测My；应变片R21、R23、R25、 R27组成一组全桥检测电路f，用于检测Fz。

2.如权利要求1所述一种六维力传感器，其特征在于，在加载台(3)端面中心有一轴向贯通加载台(3)的圆形通孔；加载台(3)周边的四个侧面分别延伸出应变梁(1)；应变梁(1)上有沿加载台(3)轴向贯通的孔。

3.如权利要求1所述一种六维力传感器，其特征在于，上凸台(5)上表面和上基座(6)下表面之间的间隙与下凸台(9)下表面和下基座(10)上表面之间的间隙相等。

4.如权利要求1所述一种六维力传感器，其特征在于，在上支撑(11)上有贯通壳体壁的螺纹通孔。