CN102095534B - 双十字梁高灵敏度六维力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
一种机器人技术领域的双十字梁高灵敏度六维力矩传感器，包括：两个十字梁、两个紧固环、一个外环以及若干电阻应变片，第一十字梁和第二十字梁分别设置于外环的两侧并作为传感器弹性体用于敏感受力，两个紧固环分别设置于第一十字梁和第二十字梁的外侧，电阻应变片粘贴于十字梁上。十字梁由四个完全相同的双孔平行子梁组成，每一个双孔平行子梁上设有I字形通孔，十字梁的几何中心设有中心孔。本发明能够去除了现有六维力矩传感器使用的浮动梁及带来的串扰，有利于减小维间耦合，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种双十字梁高灵敏度六维力矩传感器。
背景技术
多维力矩传感器又被称作多维力传感器，指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的传感器。其广泛应用于机器人关节；机器人外科手术；力觉、触觉反馈；精密装配、切削；整形外科手术；宇航员训练等场合。行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装配、生物医学、航空航天等领域。多维力矩传感器一般由敏感多分量力的弹性体和电阻应变片组成，弹性体为力敏感器件，电阻应变片则将应变转换成电量的变化。六维力/力距传感器可以测量空间任何一个力矩的三个力分量和三个力矩分量。
经过对现有技术的检索发现，传统的六维力传感器弹性体主要有两种形式：1.由并联机构组成的上下平台形式(如公开号为CN101034022A的专利)；2.十字弹性梁形式(如公开号为CN101672705的专利)。其中CN101034022A所述的RSS并联结构形式的多维力传感器是通过3组支链连接上下平台，每组支链又有若干个转动副和弹性球面副。虽然该形式的六维力传感器利用了并联结构的平均效应的特点，但其并联机构本身比较复杂，体积较大，且数据处理较复杂。而CN101672705所述的十字弹性梁结构形式的六维力传感器其弹性体由圆柱体镂空而得，结构复杂，不易加工；同时十字弹性梁在壳体内侧也给粘贴电阻应变片带来不便。另外由于浮动梁的存在，该结构依然存在维间串扰问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双十字梁高灵敏度六维力矩传感器，能够消除浮动梁带来的串扰，有利于减小维间耦合，提高测量精度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：两个十字梁、两个紧固环、一个外环以及若干电阻应变片，其中：第一十字梁和第二十字梁分别设置于外环的两侧并作为传感器弹性体用于敏感受力，两个紧固环分别设置于第一十字梁和第二十字梁的外侧，电阻应变片粘贴于十字梁上。
所述的十字梁由四个完全相同的双孔平行子梁组成，每一个双孔平行子梁上设有I字形通孔，十字梁的几何中心设有中心孔。
所述的第一十字梁上的I字形通孔的通孔方向与中心孔的通孔方向相平行，所述的第二十字梁上的I字形通孔的通孔方向与中心孔的通孔方向相垂直；
所述的外环是一个圆筒形壳体结构，沿外环的圆周内侧在靠近上下两个端面处各有四个均匀分布的矩形槽，矩形槽的高度和宽度分别与十字梁的厚度和宽度相匹配；两个相对设置的矩形槽径向距离大于十字梁相对的两个端面距离，即十字梁通过矩形槽放置于外环后，十字梁的端面与外环的径向留有间隙；十字梁的外表面与外环的端面重合且十字梁的侧面与外环矩形槽的两侧直接接触并不存在间隙和挤压力。
所述的外环的两个端面分布有八个均匀分布的螺纹孔，用于与紧固环连接。
所述的紧固环为阶梯形结构且套接于外环和十字梁的外侧。
所述的紧固环上设有八个均匀分布的通孔，用于与外环端面的螺纹孔紧密配合，限制十字梁的轴向运动。
所述的电阻应变片具体设置于十字梁的I字形通孔的外表面；每个双孔平行子梁上分别设有四个电阻应变片并构成惠斯特全桥电路。
本发明将由双孔平行梁构成的十字梁通过外环的矩形槽直接放置在外环内侧，十字梁在外环的矩形槽内只能径向移动。紧固环与外环紧密连接后，十字梁沿外环轴向运动被限制。通过十字梁的中心孔施加沿某一子梁方向的外力后，该方向的子梁可以在矩形槽内滑移，而垂直于该子梁的梁产生弯曲变形。本发明中采用双孔平行梁作为弹性体，通过合理组桥可以提高电桥输出灵敏度。
附图说明
图1是本发明装配图。
图2是本发明三维***分解图。
图3是电阻应变片位置示意图。
图4是本发明中的测量应变片电桥电路。
图5是本发明三维装配图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：包括：第一十字梁1、第二十字梁2、第一紧固环3、第二紧固环4、一个外环5以及若干电阻应变片6，其中：第一十字梁1和第二十字梁2分别设置于外环5的两侧并作为传感器弹性体用于敏感受力，第一紧固环3、第二紧固环4分别设置于第一十字梁1和第二十字梁2的外侧，电阻应变片6粘贴于十字梁上；所述的十字梁由四个完全相同的双孔平行子梁组成，每一个双孔平行子梁上设有I字形通孔7，十字梁的几何中心设有中心孔8。
所述的第一十字梁1上的I字形通孔7的通孔方向与中心孔8的通孔方向相平行，所述的第二十字梁2上的I字形通孔7的通孔方向与中心孔8的通孔方向相垂直。
所述的外环5是一个圆筒形壳体结构，沿外环5的圆周内侧在靠近上下两个端面处各有四个均匀分布的矩形槽9，矩形槽9的高度和宽度分别与十字梁的厚度和宽度相匹配，两个相对设置的矩形槽9径向距离大于十字梁相对的两个端面距离，十字梁的外表面与外环5的端面重合且十字梁的侧面与外环5矩形槽9的两侧直接接触并不存在间隙和挤压力。
所述的外环5的两个端面分布有八个均匀分布的螺纹孔10。
所述的第一紧固环3和第二紧固环4为阶梯形结构且套接于外环5和十字梁的外侧。
所述的第一紧固环3和第二紧固环4上分别设有八个均匀分布的通孔11。
所述的电阻应变片6具体设置于十字梁的I字形通孔7的外表面；每个双孔平行子梁上分别设有四个电阻应变片6并构成惠斯特全桥电路。
本实施例通过以下方式实现内窥镜外科手术的力觉信息采集装置中六维力矩的测量：
将组装好的传感器(如图1和5所示)串接在手术器械的手柄和末端执行器之间，末端执行器可以是夹钳，也可以是通过夹钳夹持的刀片或手术针。操作者通过手柄操纵末端执行器完成器官夹持、切割和缝合等动作时，作用在操作者手上的反作用力同时作用到六维力矩传感器上，通过该六维力矩传感器即可测得外科手术过程中的力觉信息。三个力分量的测量范围为15N，三个力矩分量的测量范围为0.4N·M，十字梁端面与外环矩形槽端面的间隙为2mm。
各应变片粘贴位置如图3所示。测量应变片组建电桥的方式以图3中第一个梁(R1，R2，R3，R4所在梁)的测量应变片为例说明如下。组桥方式为R1，R3为相对臂，R2，R4为相对臂，即图3中R1，R2，R3，R4与图4中的R1，R2，R3，R4一一对应，其它梁以此类推。
以图1为例说明，设十字梁1的中心孔A处为固定端，十字梁2的中心孔B处为加载端。下面以图1中坐标系为作为参考坐标系，分析不同力分量作用时各个梁的应变情况。
当施力点B受到X方向的力时，十字梁1沿Y方向的双孔平行梁将产生弯曲变形，各应变片产生拉伸或压缩应变。由于每个梁的端面与外环直接存在一个间隙，因而沿X方向的双孔平行梁虽然在X方向产生位移，但端面并不与外环直接接触，故在X方向的梁只受到一个很小摩擦力，变形完全可以忽略；因而此时测量沿Y方向的应变即可测出Y方向的力。
同理当点B受到沿着Y方向的力时，十字梁1X方向的双孔平行梁将产生弯曲变形，产生应变，而Y方向将只受到很小的摩擦力，变形可以忽略。
当点B受到沿Z轴方向的外力时，十字梁1和十字梁2在Z轴方向都将产生变形，但在十字梁1上应变片应变较小，而“十字梁2”应变较大，这时可以通过十字梁2上的应变片来测量Z轴方向受力。
当点B受到绕X轴的力矩时，十字梁2Y方向的两个双孔平行梁受力的大小与方向将以点B中心点对称。因此，测量十字梁2Y方向双孔平行梁的应变可以计算出点B受到绕X轴的力矩。
同理，当点B受到绕Y轴的力矩时，测量十字梁2X方向双孔平行梁的应变可以计算出点B受到绕Y轴的力矩。
当点B受到绕Z轴的力矩时，十字梁1四个梁都受到相同的弯矩，产生相同的变形。测量其中任意一个梁的应变即可测量出绕Z轴的力矩。
用有限元对本发明的六维力矩传感器进行受力分析，若不考虑摩擦力，则可以完全消除串扰。在实际测量中，现有的多维力传感器浮动梁的串扰一般在5％左右，而由于本发明中十字梁与外环之间通过滑移配合，测量各个方向的力时串扰可以降到2％以下；若在十字梁与外环配合处加适当的润滑油，消除串扰效果更加明显，可以降到1％以下。
Claims (1)
1.一种双十字梁高灵敏度六维力矩传感器，包括：第一十字梁、第二十字梁、两个紧固环、一个外环以及若干电阻应变片，其特征在于：第一十字梁和第二十字梁分别设置于外环的两侧并作为传感器弹性体用于敏感受力，两个紧固环分别设置于第一十字梁和第二十字梁的外侧，电阻应变片粘贴于十字梁上；所述的十字梁由四个完全相同的双孔平行子梁组成，每一个双孔平行子梁上设有I字形通孔，十字梁的几何中心设有中心孔；所述的第一十字梁上的I字形通孔的通孔方向与中心孔的通孔方向相平行，所述的第二十字梁上的I字形通孔的通孔方向与中心孔的通孔方向相垂直；
所述的外环是一个圆筒形壳体结构，沿外环的圆周内侧在靠近上、下两个端面处各有四个均匀分布的矩形槽，矩形槽的高度和宽度分别与两个十字梁的厚度和宽度相匹配；
两个相对设置的矩形槽之间的径向距离大于每个十字梁相对的两个端面距离，每个十字梁的端面与所述外环之间存在间隙，每个十字梁的外表面与外环的端面重合且每个十字梁的侧面与外环的矩形槽的两侧直接接触并不存在间隙和挤压力；
所述的外环的两个端面分布有八个均匀分布的螺纹孔；
所述的紧固环为阶梯形结构且套接于外环和两个十字梁的外侧；
所述的紧固环上设有八个均匀分布的通孔；
所述的电阻应变片设置于每个十字梁的I字形通孔的外表面；每个双孔平行子梁上分别设有四个电阻应变片并构成惠斯特全桥电路；
所述第一十字梁与所述外环之间为滑移配合；所述第二十字梁与所述外环之间为滑移配合；
所述第一十字梁和所述第二十字梁分别由四个子梁组成；通过所述中心孔施加某一子梁方向的外力后，该方向的子梁在矩形槽内滑移，而垂直于该子梁的梁产生弯曲变形。
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