CN105784208B - 一种3d打印一次性两级压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印一次性两级压力传感器，包括：第一部分和第二部分；第一部分包括第一层薄板和位于中心的竖直受力凸台；第二部分为一个中空的长方体箱体结构，箱体内部包括两个水平伸出的第一凸台、第二凸台、横梁、倒锥形的凸台，第一凸台、第二凸台成轴对称地分布于箱体两对侧，横梁位于第一凸台、第二凸台正下方，横跨箱体两对侧，倒锥形的凸台位于横梁中心；所述第一部分的第一层薄板位于第二部分的两个水平伸出的凸台的上表面，且与凸台对称接触。本发明可以实现两级压力检测，克服了同类原有传感器只能检测一级压力的局限性；可采用3D打印一体成型，实现快速制造；没有任何电子设备，可以很大程度上减少造价；可移植性强。

Description

一种3D打印一次性两级压力传感器
技术领域
本发明属于智能机器人技术领域，尤其涉及一种3D打印一次性两级压力传感器。
背景技术
制造业人力成本的不断攀升和技能熟练工人群体的匮乏，各行各业的生产、加工领域引进了越来越多的机器人和自动化装备，如焊接机器人、上料机器人和抛光机器人等。随着这种趋势的迅速发展，一种人机共融机器人技术应运而生，这种技术结合了人类的智慧和敏捷与工业机器人的力量、可重复性和耐久性，将两类群体的优点融合。由于大多数机器人是强大的活动机器，在这些机器人周围工作的人们的安全防护，成为优先考虑的问题。以压力传感器为代表的传统接触传感器基于应变原理进行力的精确测量，通常具有精密的信号感知、调理电路，因此测量精度高、成本昂贵。
然而，大部分应用环境也不需精度如此高的传感器，例如仅需要感知机器施加的力是否在某一特定范围时，可以采用结构简单、成本低廉的接触力监测装置，因而出现了造价低廉的3D打印一次性结构型传感器的设计概念及初级系列产品。现有的同类传感器只能检测一级压力，使用效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构型、成本低廉、3D打印的一次性两级压力传感器，旨在解决现有的同类传感器只能检测一级压力的问题。
本发明是这样实现的，一种3D打印一次性两级压力传感器，所述3D打印的结构型、一次性两级压力传感器包括两大部分：第一部分和第二部分；
所述第一部分包括第一层薄板和位于中心的竖直受力凸台；
所述第二部分为一个中空的长方体箱体结构，箱体内部包括两个水平伸出的第一凸台、第二凸台、横梁、倒锥形的凸台，第一凸台、第二凸台成轴对称地分布于箱体两对侧，横梁位于第一凸台、第二凸台正下方，横跨箱体两对侧，倒锥形的凸台位于横梁中心；
所述第一部分的第一层薄板位于第二部分的两个水平伸出的凸台的上表面，且与凸台对称接触。
进一步，所述第一层薄板为不规则形薄板，外形近似为工字型，两侧的第一薄板凹进部和第二薄板凹进部的下表面分别与第一凸台、第二凸台不完全接触，周围4个伸出第一长方体、第二长方体、第三长方体、第四长方体。
进一步，所述第一长方体与第二长方体前后轴对称；第三长方体与第四长方体左右中心对称，且分别与箱体内壁上的槽间隙配合。
进一步，所述第一凸台、第二凸台位于箱体左右面中心位置，且为悬臂结构；横梁与箱体两侧为固定端约束；倒锥形的凸台位于横梁中心。
进一步，所述箱体内壁开有四个长方体槽，与第一部分第一层薄板周围的4个伸出长方体部分相对应。
进一步，所述第一部分与第二部分为一体3D打印。
进一步，所述第一层薄板的下表面与第一凸台、第二凸台是粘连的。
本发明提供的3D打印一次性两级压力传感器，安装在需要粗略感知接触力的各种人机共融设备中，主要用于宏观监测作用力的大致范围，是否分别达到两次压力阈值，以防止机器人对人体或其他设备的冲击力过大而导致的伤害或破坏。在承受到达到第一级检测阈值的压力时，高度明显下降；在承受到达第二级检测，高度再次下降，该传感器即被破坏，需要更换。本发明旨在解决之前传感器只能检测一级压力的局限，提高传感器的使用效率，进一步降低制造成本。
本发明可以实现10N到500N之间的任意两级压力检测，通过传感器的三种高度值直观显示所承受的压力分布区间，具体为：传感器最高表明此时压力小于一级阈值；传感器高度值适中表明此时压力大于一级阈值而小于二级阈值；传感器最低状态表明此时压力大于二级阈值。从而克服了原有传感器只能通过高度一次变化，检测一级压力的局限性；采用3D打印一体成型，可以实现快速制造，在数小时内完成产品制备；没有任何电子设备，每个传感器的造价低于十元；可以通过在毫米到厘米范围改变板和梁的尺寸，以及板与凸台的接触面积实现检测10N到500N之间的不同大小的压力，可移植性很好；可以继续做成3级甚至多级传感器，只需增加不同尺寸的梁就可以了。
附图说明
图1是本发明实施例提供的3D打印一次性两级压力传感器结构示意图。
图2是本发明实施例提供的第一部分结构示意图。
图3是本发明实施例提供的第二部分结构示意图。
图中：1、第一部分；11、第一层薄板；111、第一薄板凹进部；112、第二薄板凹进部；113、第一长方体；114、第二长方体；115、第三长方体；116、第四长方体；12、受力凸台；2、箱体壁；211、第一凸台；212、第二凸台；221、横梁；222、倒锥形的凸台；231、第一槽；232、第二槽；233、第三槽；234、第四槽；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1-图3所示，本发明实施例的3D打印一次性两级压力传感器主要包括：第一部分1和第二部分。
本发明采用微型压力机向第一部分(1)的受力凸台(12)施加压力，随着压力的增加，第一部分(1)第一层薄板(11)发生形变，第一薄板凹进部111和第二薄板凹进部112的下表面逐渐与第二部分的水平伸出的第一凸台211和第二凸台212分离，直至完全脱离。
脱离之后，第一层薄板(11)周围的伸出第一长方体113、第二长方体114、第三长方体115和第四长方体116沿第二部分箱体壁(2)上相应的槽第一槽231、第二槽232、第三槽233和第四槽234向下滑动，两者的配合可以起到定位和导向的作用。此过程有较大的位移，可据此判断已经达到了第一级压力。
进而，第一层薄板(11)的下表面与箱体横梁(221)上的倒锥形的凸台(222)接触，压力通过倒锥形的凸台(222)传到横梁(221)，随着压力的增大，横梁逐渐被压屈服，可据此判断已经达到第两级压力。自此，该一次性两级3D打印柔性压力传感器工作结束。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明的关键之处在于传感器的两个受力部分，第一部分为第一层薄板(11)和位于其下方的凸台(211，212)；第二部分横梁(221)以及其上的倒锥形的凸台(222)。第一部分所要考虑的设计问题是薄板与凸台分离、掉落所需的力的阈值与其尺寸之间的关系，而第二部分所要考虑的设计问题是横梁屈服所需的力与横梁和凸台的尺寸之间的关系。
首先，阐述第一部分的设计方法，第一部分的受力过程为薄板(11)上的受力凸台(12)受力，传递到薄板上，薄板进一步压迫下方的凸台(211，212)，由于凸台的阻碍，薄板逐渐变形、弯曲，最终与凸台(211，212)分离、掉落。这一过程薄板经历了弹性变形、屈服和塑性变形的过程，属于非线性的过程。对于这部分的尺寸设计，本发明采用当下比较流行的有限元法；采用通用有限元分析软件进行了分析，建立了薄板和下方凸台模型，单元类型采用solid185，材料属性依据PLA相关属性，薄板(11)下表面和凸台(211，212)上表面设置面面接触对，凸台(211，212)与箱体接触的面采用固定端约束。然后，对薄板上的受力凸台(12)施加均布力，求解可以得到薄板与凸台分离、掉落所需力的阈值。改变薄板的尺寸重复上述过程，最终可以得到薄板尺寸和破坏力阈值的关系。发明人3D打印出适当尺寸的模型，并进行了实验，得到的破坏力阈值与有限元仿真的结果吻合效果好。
进一步，阐述第二部分的设计方法。第二部分的受力过程为薄板(11)下落，与倒锥形凸台(222)接触，凸台受到薄板的压力，进而传递给横梁(221)，横梁发生弯曲然后屈服，此过程为线性过程。此处，本发明采用旋量理论分析模型的刚度矩阵[K]，进而求得力与位移的关系W＝[K]T，其中：
W＝(Fx,Fy,Fz；Mx,My,MZ)为力旋量，T＝(θx,θy,θz；δx,δy,δZ)为位移旋量。
具体方法为：
将倒锥形凸台(222)作为为作用体，箱体(2)为参考体。从横梁(221)的中心平面将梁分成两个部分。这两个部分认为是并联的。那么每个单独的矩形截面梁的刚度矩阵为：
其中t为横梁的厚度，w为横梁的宽度，l为横梁长度的一半，η＝t2/l2，κ＝IZ/Iy＝t2/w2，χ＝1/2(1+v)，泊松比v＝0.3，β可以从(2)式导出：
然后通过可逆变换矩阵(和凸台上表面距横梁的高度h有关)可以得到整体的刚度矩阵：
其中，l为横梁的长度。
进而可以得到：
F＝k25δ (4)
F为倒锥形凸台受到力的大小，δ为凸台移动的距离。
进而，可以得到横梁屈服所需的力的阈值，改变横梁的尺寸可以得到不同的刚度矩阵，所需的力的阈值也不同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3D打印一次性两级压力传感器，其特征在于，所述3D打印一次性两级压力传感器包括两大部分：第一部分和第二部分；
所述第一部分包括第一层薄板和位于中心的竖直受力凸台；
所述第二部分为一个中空的长方体箱体结构，箱体内部包括第一凸台、第二凸台、横梁、倒锥形的凸台，第一凸台、第二凸台成轴对称地分布于箱体两对侧，横梁位于第一凸台、第二凸台正下方，横跨箱体两对侧，倒锥形的凸台位于横梁中心，第一凸台和第二凸台为水平伸出的；
所述第一部分的第一层薄板位于第二部分的水平伸出的第一凸台和第二凸台的上表面，且与之对称接触；
所述第一层薄板为不规则形薄板，外形近似为工字型，两侧的第一薄板凹进部和第二薄板凹进部的下表面分别与第一凸台、第二凸台不完全接触，周围伸出第一长方体、第二长方体、第三长方体、第四长方体。
2.如权利要求1所述的3D打印一次性两级压力传感器，其特征在于，所述第一长方体与第二长方体前后轴对称；第三长方体与第四长方体左右中心对称，且分别与箱体内壁上的槽间隙配合。
3.如权利要求1所述的3D打印一次性两级压力传感器，其特征在于，所述第一凸台、第二凸台位于箱体左右面中心位置，且为悬臂结构；横梁与箱体两侧为固定端约束；倒锥形的凸台位于横梁中心。
4.如权利要求1所述的3D打印一次性两级压力传感器，其特征在于，所述箱体内壁开有四个长方体槽，与第一部分第一层薄板周围的4个伸出长方体部分相对应。
5.如权利要求1所述的3D打印一次性两级压力传感器，其特征在于，所述第一部分与第二部分为一体3D打印。
6.如权利要求1所述的3D打印一次性两级压力传感器，其特征在于，所述第一层薄板的下表面与第一凸台、第二凸台是粘连的。
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