CN103698076A - 一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，包括弹性体和位于弹性体上的应变片；弹性体包括四个固定台，一个中心加载台和四个梁单元，每个梁单元布设在相邻两个固定台之间；每个梁单元包括外浮动梁、内浮动梁和弹性梁，外浮动梁和内浮动梁相互平行，构成一对双梁，双梁的两端分别固定连接在相邻两个固定台的侧壁上，弹性梁垂直于双梁，且弹性梁的一端固定连接在外浮动梁的内壁上，弹性梁的另一端固定连接在中心加载台的一侧壁上；应变片为六组，粘贴在弹性梁上；每组应变片组成一个惠斯通全桥。该六维力和力矩传感器，在不改变传感器***尺寸的条件下，有效地增加其量程，扩展其刚度。

Description

一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器

技术领域

本发明涉及一种六维力和力矩传感器，具体来说，涉及一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器。

背景技术

六维力传感器能够同时检测空间六个方向的载荷，即空间笛卡尔坐标系中三个坐标轴方向的力信息(Fx,Fy,Fz)以及绕三个轴的力矩信息(Mx,My,Mz)。作为一种重要的力觉传感器，它是保证精密装配和控制的基础元件，也是机器人完成接触性任务的保障，因此广泛用于工业机器人、仿人机器人、自动控制、航空航天、水下机器人等领域。

应变式力/力矩传感器因为具有较好的精度和灵敏度，一直是力觉感知领域的研究热点。专利CN102353482A《一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器》公开了一种空间六维力矩测量的传感器。该发明采用了组合式方法，用九个一维力传感器组合测量多维力矩。这种类型的传感器虽然具有较好的灵活性，但是需要复杂的装配，同时很容易引起装配误差，且成本较高。整体式六维力传感器因为其结构简单紧凑、灵敏度高等优点被广泛使用，其力敏元件为内部的弹性体，其结构设计也是应变式六维力传感器设计的核心。这种传感器内部的弹性体结构通常有横梁式、竖梁式、stewart式等，其中，十字横梁式弹性体由于其结构简单易于加工、灵敏度高、维间串扰小等优点被广泛使用。专利CN201561825U《一种六维力传感器的弹性体》公开了一种十字弹性梁结构的弹性体，但是由于采用了壳体镂空的结构，给加工和贴片造成一定困难。专利CN202720078U《一种应变式的六维力传感器》公开了一种结构更为简单的十字梁弹性体，减轻了维间串扰，且提高了输出精度，但是很难保证有较高的刚度，难以测量大范围的力/力矩。

而针对不同领域的需求，对六维力/力矩传感器的性能要求也各不相同，随着空间探测技术、海洋开发技术以及机器人技术的迅速发展，迫切需要研发大量程高精度的多维力/力矩传感器。

为了扩展传感器的刚度，使其具有更高的量程，成倍地扩大传感器的尺寸不仅会成倍地扩大成本和体积，而且使得灵敏度成倍地缩小，因而不是一种优选方式。适当地增加浮动梁的厚度也是提高刚度的一种方式，这种方式的一个显著的局限在于：浮动梁只能在小范围内加厚，超过一定范围会使得传感器应变极小，根本无法测量力和力矩。类似地，采用加粗弹性梁的方法也有这样的问题：灵敏度会降低，且超过一定范围会使得传感器失去感应空间力/力矩性能。

因此，在现有的十字弹性梁结构的基础上，寻求一种量程扩展方法，使得传感器在大量程测量能力下仍保有原有优点，具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，在不改变传感器***尺寸的条件下，有效地增加其量程，扩展其刚度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，该传感器包括弹性体和位于弹性体上的应变片；所述的弹性体包括四个固定台，一个中心加载台和四个梁单元，四个固定台均匀分布在中心加载台周边；每个梁单元布设在相邻两个固定台之间；所述的每个梁单元包括外浮动梁、内浮动梁和弹性梁，外浮动梁和内浮动梁相互平行，构成一对双梁，双梁的两端分别固定连接在相邻两个固定台的侧壁上，弹性梁垂直于双梁，且弹性梁的一端固定连接在外浮动梁的内壁上，弹性梁的另一端固定连接在中心加载台的一侧壁上，弹性梁的中部和内浮动梁固定连接；所述的四根弹性梁呈十字形；所述的应变片为六组，粘贴在弹性梁上，且位于弹性梁与中心加载台相接处以及弹性梁与内浮动梁内侧相接处之间；六组应变片设在弹性梁各侧面的中心轴线上，每组应变片组成一个惠斯通全桥。

进一步，所述的弹性体呈整体式结构，且关于笛卡尔三维坐标轴对称，笛卡尔三维坐标轴以弹性体的几何中心为原点，x向沿水平方向，y向与x向在同一平面内，且y向与x向垂直，z向垂直于y向和x向所在的平面。

进一步，所述的内浮动梁至弹性梁与中心加载台相接处的距离为弹性梁长度的0.5—0.8倍，内浮动梁的宽度小于弹性梁长度的十分之一。

进一步，所述的四根弹性梁呈十字形，弹性梁的各中心轴线组成四组中心轴线组，该四组中心轴线组分别是：由y向的两根弹性梁两侧面的四条中心轴线组成的第一中心轴线组，由x向的两根弹性梁两侧面的中心轴线组成的第二中心轴线组，由y向的两根弹性梁正面和背面的中心轴线组成的第三中心轴线组，由x向的两根弹性梁正面和背面的中心轴线组成的第四中心轴线组；在第一中心轴线组的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第一应变片组R₁、R₂、R₃和R₄；在第二中心轴线组的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第二应变片组R₅、R₆、R₇和R₈；在第三中心轴线组的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第三应变片组R₉、R₁₀、R₁₁和R₁₂；在第三中心轴线组的每条中心轴线的中部设有一个应变片，组成第四应变片组R₁₃、R₁₄、R₁₅和R₁₆；在第四中心轴线组的每条中心轴线的中部设有一个应变片，组成第五应变片组R₁₇、R₁₈、R₁₉和R₂₀；在第二中心轴线组的每条中心轴线中部设有一个应变片，组成第六应变片组R₂₁、R₂₂、R₂₃和R₂₄；每组应变片组中的四个应变片组成一个惠斯通全桥。

有益效果：本发明和大多数对多维力和力矩传感器的研究一样，力求获得相对更高的灵敏度以及相对更高的刚度，在考虑成本、性能等各种因素的前提下，期望获得相对优化的性能。与现有的典型十字形弹性体结构相比，本发明的传感器具有刚度更大，可测的量程范围更大的特点。现有技术中，测量大量程力和力矩的传感器大多为stewart结构及其变形。但是stewart结构的传感器结构非常复杂，加工、装配都不方便。因此，本发明在同样完成量程扩展的情况下，具有结构简单、紧凑的优点，并且由于是一体化结构，在刚度、重复性以及动态性能上都有较大的优势，并且可以有效地减少装配误差。对十字横梁结构的变形的技术也有很多，在研究大量程的技术领域中，大多是增加一个十字弹性梁达到同样的效果。与这一类的结构相比，本发明又明显具有结构简单、易于加工的优点。

相关的量程扩展技术大多是成倍地扩大传感器各个维度的量程，与此同时，灵敏度也成倍减小。本发明的另一有益效果在于，对力和力矩的量程扩展程度不同。合理选择本传感器的尺寸参数，可以使得本传感器测量不同的维度具有不同的能力，从而在领域内更有实用价值。

因此，本发明的有益效果可以总结为：保留了十字弹性梁结构的优点：灵敏度高、结构简单、维间串扰小。与典型的十字形弹性体相比，具有刚度高、量程范围大的优点；在实现量程扩展的前提下，与现有技术相比具有结构简单紧凑、加工简单、重复性和动态性能好的优点；同时在不同维度上对量程的扩展能力不同，在实际应用中更有灵活性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中弹性体上的第一中心轴线组和第二中心轴线组的位置示意图。

图3为本发明中弹性体上的第三中心轴线组和第四中心轴线组的位置示意图。

图4为本发明中弹性体正面上的应变片组位置示意图。

图5为本发明中弹性体背面上的应变片组位置示意图。

图6为本发明对比例的俯视图。

图7为本发明实施例的俯视图。

图8为本发明实施例的侧视图。

图9为本发明实施例对Fx的量程扩展倍数随k₁和k₂变化的平面图。

图10为本发明实施例对Fz的量程扩展倍数随k₁和k₂变化的平面图。

图11为本发明实施例对Mx的量程扩展倍数随k₁和k₂变化的平面图。

图12为本发明实施例对Mz的量程扩展倍数随k₁和k₂变化的平面图。

图中有：固定台1、中心加载台2、外浮动梁3、内浮动梁4、弹性梁5、第一中心轴线组21、第二中心轴线组22、第三中心轴线组23、第四中心轴线组24。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，包括弹性体和位于弹性体上的应变片。弹性体包括四个固定台1，一个中心加载台2和四个梁单元，四个固定台1均匀分布在中心加载台2周边。每个梁单元布设在相邻两个固定台1之间。所述的每个梁单元包括外浮动梁3、内浮动梁4和弹性梁5。外浮动梁3和内浮动梁4相互平行，构成一对双梁。双梁的两端分别固定连接在相邻两个固定台1的侧壁上。弹性梁5垂直于双梁，且弹性梁5的一端固定连接在外浮动梁3的内壁上，弹性梁5的另一端固定连接在中心加载台2的一侧壁上。弹性梁5的中部和内浮动梁4固定连接。应变片为六组，粘贴在弹性梁5上，且位于弹性梁5与中心加载台2相接处以及弹性梁5与内浮动梁4内侧相接处之间；六组应变片设在弹性梁5各侧面的中心轴线上，每组应变片组成一个惠斯通全桥。

进一步，所述的弹性体呈整体式结构，且关于笛卡尔三维坐标轴对称，笛卡尔三维坐标轴以弹性体的几何中心为原点，x向沿水平方向，y向与x向在同一平面内，且y向与x向垂直，z向垂直于y向和x向所在的平面。弹性体呈整体式结构，相对于复杂的stewart结构以及其他需要装配的弹性体而言，本发明的整体式结构更容易加工，强度大，抗震能力好，抗过载能力强，且减小了装配误差，有利于传感器精度的提高。

进一步，所述的中心加载台2呈棱柱形，中心加载台2的横截面呈正方形，中心加载台2的中心设有轴向通孔；固定台1中心设有安装孔。中心加载台2的中心设有轴向通孔，用于与外部轴进行配合。固定台1中心设有安装孔，用于安装在外部基座上。

进一步，所述的四根外浮动梁3和四根内浮动梁4均呈薄片状，且高度相等。外浮动梁3和内浮动梁4高度相等，主要是考虑到便于加工。内浮动梁4不宜高出外浮动梁3，这是因为外壳在设计时，要保证弹性体形变不与外壳接触。内浮动梁4高出后会使得外壳结构更复杂。

进一步，所述的内浮动梁4至弹性梁5与中心加载台2相接处的距离为弹性梁5长度的0.5—0.8倍，内浮动梁4的宽度小于弹性梁5长度的十分之一。内浮动梁4选择合适的距离和宽度，可以实现量程扩展的目的。

进一步，如图2、图3、图4和图5所示，所述的四根弹性梁5呈十字形，弹性梁5的各中心轴线组成四组中心轴线组，该四组中心轴线组分别是：由y向的两根弹性梁两侧面的四条中心轴线组成的第一中心轴线组21，由x向的两根弹性梁两侧面的中心轴线组成的第二中心轴线组22，由y向的两根弹性梁正面和背面的中心轴线组成的第三中心轴线组23，由x向的两根弹性梁正面和背面的中心轴线组成的第四中心轴线组24；在第一中心轴线组21的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第一应变片组R₁、R₂、R₃和R₄；在第二中心轴线组22的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第二应变片组R₅、R₆、R₇和R₈；在第三中心轴线组23的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第三应变片组R₉、R₁₀、R₁₁和R₁₂；在第三中心轴线组23的每条中心轴线的中部设有一个应变片，组成第四应变片组R₁₃、R_14、R₁₅和R₁₆；在第四中心轴线组24的每条中心轴线的中部设有一个应变片，组成第五应变片组R₁₇、R₁₈、R₁₉和R₂₀；在第二中心轴线组22的每条中心轴线中部设有一个应变片，组成第六应变片组R₂₁、R₂₂、R₂₃和R₂₄。每组应变片组中的四个应变片组成一个惠斯通全桥，分别测量F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z六维力和力矩数据，第一应变片组测量F_x，第二应变片组测量F_y，第三应变片组测量F_z，第四应变片组测量M_x，第五应变片组测量M_y，第六应变片组测量M_z。

下面例举一实施例。

如图7所示，采用本发明结构的传感器弹性体，整体外形长为78mm，宽为78mm，高7mm。弹性梁5长度为25mm，截面尺寸为5mm×5mm，外浮动梁3宽度为1mm，长32mm，高5mm。内浮动梁4的尺寸与外浮动梁3相同，距离外浮动梁3为12mm。图6为作为对比例的一个传感器弹性体，该传感器弹性体中未设置内浮动梁，该弹性体的尺寸与前一个弹性体相同。实施例的弹性体和对比例的弹性体的侧面尺寸相同，如图8所示，浮动梁高度低于弹性体整体高度，上下都比固定台低1mm，这是为了形变时不与外壳接触从而产生正确的形变。下面将对这两种结构的传感器作对比，分析本发明的优点。

ANSYS有限元分析软件是传感器领域内分析结构特性的重要软件。根据该软件可以分析传感器结构在特定力下的变形结果。为了分析其性能，引入归一化量程的概念，即：在应变片贴片位置的应变为1×10^-3时，对应的加载力和力矩值。该归一化量程可以有效地反应传感器的刚度，从而反应能够测量的量程。由于弹性体结构的对称性，Fx和Fy的性能相同；Mx和My的性能相同，因此分析归一化量程Fx,Fz,Mx,Mz。设弹性梁长度为L，本例中L=25mm，内浮动梁距离弹性梁根部（靠近中心轴台的一端）距离为k₁L，浮动梁的截面宽度为k₂L。不同的尺寸参数(k₁,k₂)的传感器具有不同的量程扩展效果。

本实施例在ANSYS分析软件中，建立了对照弹性体、本发明的尺寸参数1、本发明的尺寸参数2以及本发明的尺寸参数3四种模型。下表列出了四种模型的归一化量程。

可见，本发明所述传感器能在对照传感器基础上扩展力和力矩的量程，而不同维度的力/力矩的扩展能力不同。在弹性形变范围内，传感器的尺寸变化和应变呈线性。因此，随着k₁和k₂的变化，对每个维度的量程扩展倍数大约呈平面。图9—图12分别是Fx、Fz、Mx、Mz的量程扩展倍数随k₁和k₂变化的平面图。其中，考虑到实际应用中，内浮动梁要比较靠近外浮动梁，但是要保持一定间隙，取0.5<k₁<0.8，由于内浮动梁宽度较窄，取0<k₂<0.1。用A表示量程扩展倍数，平面方程可大致表示如下：

A_Fx=-3.25x+29.54y+3.01

A_Fz=-3.50x+4.67y+3.81

A_Mx=-0.78x+1.14y+1.66

A_Mz=-1.14x+0.64y+1.96

由平面图可以看出，在一定范围内，内浮动梁靠弹性梁根部越近，量程扩大越明显；浮动梁厚度越大，量程扩大越大。在内浮动梁靠近弹性梁根部的位置可以实现对力值的量程扩大能力更强，从而实现大量程力、高分辨率力矩的测量。

本发明的传感器增加了内浮动梁4之后，传感器测量的范围扩大了，传感器的刚度得到扩大。本发明可以有效地实现力和力矩的量程扩展，结构紧凑、刚度大，实现传感器的小型化，且结构简单，易于加工。

Claims (6)

1.一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，其特征在于：该传感器包括弹性体和位于弹性体上的应变片；

所述的弹性体包括四个固定台（1），一个中心加载台（2）和四个梁单元，四个固定台（1）均匀分布在中心加载台（2）周边；每个梁单元布设在相邻两个固定台（1）之间；所述的每个梁单元包括外浮动梁（3）、内浮动梁（4）和弹性梁（5），外浮动梁（3）和内浮动梁（4）相互平行，构成一对双梁，双梁的两端分别固定连接在相邻两个固定台（1） 的侧壁上，弹性梁（5）垂直于双梁，且弹性梁（5）的一端固定连接在外浮动梁（3）的内壁上，弹性梁（5）的另一端固定连接在中心加载台（2）的一侧壁上，弹性梁（5）的中部和内浮动梁（4）固定连接；所述的四根弹性梁（5）呈十字形；

所述的应变片为六组，粘贴在弹性梁（5）上，且位于弹性梁（5）与中心加载台（2）相接处以及弹性梁（5）与内浮动梁（4）内侧相接处之间；六组应变片设在弹性梁（5）各侧面的中心轴线上，每组应变片组成一个惠斯通全桥。

2.根据权利要求书1所述的双浮动梁式弹性体，其特征在于：所述的弹性体呈整体式结构，且关于笛卡尔三维坐标轴对称，笛卡尔三维坐标轴以弹性体的几何中心为原点，x向沿水平方向，y向与x向在同一平面内，且y向与x向垂直，z向垂直于y向和x向所在的平面。

3.根据权利要求书1所述的双浮动梁式弹性体，其特征在于：所述的中心加载台（2）呈棱柱形，中心加载台（2）的中心设有轴向通孔；所述的固定台（1）中心设有安装孔。

4.根据权利要求书1所述的双浮动梁式弹性体，其特征在于：所述的四根外浮动梁（3）和四根内浮动梁（4）均呈薄片状，且高度相等。

5.根据权利要求书4所述的双浮动梁式弹性体，其特征在于：所述的内浮动梁（4）至弹性梁（5）与中心加载台（2）相接处的距离为弹性梁（5）长度的0.5—0.8倍，内浮动梁（4）的宽度小于弹性梁（5）长度的十分之一。

6.根据权利要求书1所述的双浮动梁式弹性体，其特征在于：所述的四根弹性梁（5）呈十字形，弹性梁（5）的各中心轴线组成四组中心轴线组，该四组中心轴线组分别是：由y向的两根弹性梁两侧面的四条中心轴线组成的第一中心轴线组（21），由x向的两根弹性梁两侧面的中心轴线组成的第二中心轴线组（22），由y向的两根弹性梁正面和背面的中心轴线组成的第三中心轴线组（23），由x向的两根弹性梁正面和背面的中心轴线组成的第四中心轴线组（24）；

在第一中心轴线组（21）的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第一应变片组R ₁ 、R ₂ 、R ₃ 和R ₄ ；在第二中心轴线组（22）的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第二应变片组R ₅ 、R ₆ 、R ₇ 和R ₈ ；在第三中心轴线组（23）的每条中心轴线靠近中心加载台的一端设有一个应变片，组成第三应变片组R ₉ 、R ₁₀ 、R ₁₁ 和R ₁₂ ；在第三中心轴线组（23）的每条中心轴线的中部设有一个应变片，组成第四应变片组R ₁₃ 、R ₁₄ 、R ₁₅ 和R ₁₆ ；在第四中心轴线组（24）的每条中心轴线的中部设有一个应变片，组成第五应变片组R ₁₇ 、R ₁₈ 、R ₁₉ 和R ₂₀ ；在第二中心轴线组（22）的每条中心轴线中部设有一个应变片，组成第六应变片组R ₂₁ 、R ₂₂ 、R ₂₃ 和R ₂₄ ；每组应变片组中的四个应变片组成一个惠斯通全桥。

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