CN107044898A - 一种具有弹性体结构的六维力传感器 - Google Patents

一种具有弹性体结构的六维力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有弹性体结构的六维力传感器，包括水平弹性梁、中心垂直弹性梁、加载轴及外圈固定台，水平弹性梁为十字形结构，水平弹性梁包括四个等长分支，中心垂直弹性梁的一端固定在水平弹性梁十字形结构的中心位置，且与十字形结构所在的面垂直，加载轴安装在中心垂直弹性梁的另一端，外圈固定台为套设在水平弹性梁外侧的圆环状部件，水平弹性梁的四个分支的末端固定在外圈固定台的内侧面，水平弹性梁四个分支的末端为S型结构，水平弹性梁和/或中心垂直弹性梁上还贴覆有应变片。本发明水平弹性梁分支的末端为S型结构，使其在受到相应方向的作用力时作为柔性环节；中心垂直弹性梁的设计减小维间耦合，从而简化解耦算法，提高测量精度。

Description

一种具有弹性体结构的六维力传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种具有弹性体结构的六维力传感器。
背景技术
六维力传感器测量的是笛卡尔坐标系三维空间的三维正交力(Fx,Fy,Fz)和三维正交力矩(Mx,My,Mz)，由于其测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合，如机器人末端执行器，汽车行驶过程轮力检测，轮廓跟踪，精密装配，双手协调等，尤其在航空机器人，宇宙空间站对接仿真等场合发挥了极其重要的作用。
十字梁型结构是目前六维力传感器采用最多的一种形式，而电阻应变式测力原理是目前六维力传感器中应用最多的一种。专利CN103528746A中公开了一种十字梁式六维力传感器弹性体，它由四个内梁、四个外梁和四个过载保护梁等组成，可以提高灵敏度，减小维间耦合，但是结构相对复杂。专利CN205333238U中公开了一种结构紧凑的应变式六维力传感器，它包括底座弹性体、十字梁弹性体等，底座弹性体具有一腔体，十字梁弹性体设于腔体内，整体结构较为紧凑。
国际上对多维力/力矩传感器的研究热点多在检测原理、方法创新和新型弹性体结构设计等方面。而多维力/力矩传感器特有的维间耦合成为多维力/力矩传感器存在的主要问题，制约着测量精度，从而直接影响后续的力反馈与力控制性能。
发明内容
发明目的：为了减小六维力传感器的测量误差，本发明提供一种具有弹性体结构的六维力传感器。
技术方案：一种具有弹性体结构的六维力传感器，包括水平弹性梁、中心垂直弹性梁、加载轴及外圈固定台，所述水平弹性梁为十字形结构，水平弹性梁包括四个等长分支，所述中心垂直弹性梁的一端固定在水平弹性梁十字形结构的中心位置，且与十字形结构所在的面垂直，所述加载轴安装在中心垂直弹性梁的另一端，所述外圈固定台为套设在水平弹性梁外侧的圆环状部件，外圈固定台包括内侧面，水平弹性梁的四个分支的末端固定在外圈固定台的内侧面上，水平弹性梁的四个分支的末端均为S型结构，所述水平弹性梁和/或中心垂直弹性梁上还贴覆有应变片。
工作原理：当传感器受到Y方向作用力Fy时，两个X向弹性梁分支发生弯曲变形，两个Y向弹性梁分支发生拉压形变且其变化量很小可忽略，此时其末端S型结构可看作柔性环节，Fy可通过粘贴于X向弹性梁左、右侧面的应变片组成的Wheatstone全桥电路测得；当传感器受到Z方向作用力矩Mz时，两个X向弹性梁分支发生弯曲变形，且两个X向弹性梁分支的左、右侧面的相同位置处产生的形变大小相等、方向相反，Mz即可通过粘贴于X向弹性梁左右侧面的应变片组成的Wheatstone全桥电路测得。
当传感器受到Z方向作用力Fz时，两个Y向弹性梁分支发生弯曲变形，且两个Y向弹性梁分支的上、下表面的相同位置处产生的形变大小相等、方向相反，Fz可通过粘贴于两个Y向弹性梁分支上、下表面的应变片组成的全桥电路测得；当传感器受到X方向力矩Mx时，两个Y向弹性梁分支发生弯曲变形，两个X向弹性梁分支发生扭转变形，且变形量很小可以忽略，Mx可通过粘贴于两个Y向弹性梁分支上下表面的应变片组成的全桥电路测得。
当传感器受到X方向作用力Fx或Y方向力矩My时，中心垂直弹性梁发生较大弯曲变形，且中心垂直弹性梁的前、后侧面的相同位置处产生的应变大小相等、方向相反，Fx和My均可通过粘贴于中心垂直弹性梁前、后侧面的应变片组成的桥路测得。
有益效果：本发明提供的一种具有弹性体结构的六维力传感器，水平弹性梁分支的末端设计为S型结构，使其在受到相应方向的作用力时作为柔性环节；相比较现有的十字梁型六维力传感器，多了一个中心垂直弹性梁，用以感受X方向的作用力Fx和Y方向的转矩My；除了在四个水平弹性梁分支上粘贴应变片外，在中心垂直弹性梁朝向Y向弹性梁分支的两个侧面也贴覆有两对应变片，减小了测量误差；现有的十字梁型六维力传感器在三个及三个以上方向间存在耦合(如Fy,Mz,Fx之间，Fz,Mx,My之间)，而本专利具有弹性体结构的六维力传感器只在两个方向间存在耦合(如Fy,Mz之间，Fz,Mx之间，Fx,My之间)，减小维间耦合，从而简化了解耦算法，提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的具有弹性体结构的六维力传感器整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，为方便描述方向，建立一个如图所示的空间笛卡尔坐标系。
如图1所示，具有弹性体结构的六维力传感器包括水平弹性梁1、中心垂直弹性梁2、加载轴3及外圈固定台4，所述水平弹性梁1为十字形结构，水平弹性梁1包括四个等长分支，所述中心垂直弹性梁2的一端固定在水平弹性梁1十字形结构的中心位置，且与十字形结构所在的面垂直，所述加载轴3安装在中心垂直弹性梁2的另一端，所述外圈固定台4为套设在水平弹性梁1外侧的圆环状部件，外圈固定台4包括内侧面41，水平弹性梁1的四个分支的末端固定在外圈固定台4的内侧面41上，水平弹性梁1的四个分支的末端均为S型结构，所述水平弹性梁和/或中心垂直弹性梁上还贴覆有应变片。所述S型结构的厚度为1mm。水平弹性梁分支的末端设计为S型结构，使其在受到相应方向的作用力时作为柔性环节，即起到浮动梁的作用。相比现有的十字梁型六维力传感器，本实施例多了一个中心垂直弹性梁2，用以感受X方向的作用力Fx和Y方向的转矩My。
所述中心垂直弹性梁2和水平弹性梁1的四个分支均为横截面是正方形的四棱柱。所述加载轴3为圆柱体结构。所述外圈固定台4上设有8个上下通孔，用于固定传感器。
所述水平弹性梁1的四个分支包括两个X向弹性梁分支11和两个Y向弹性梁分支12，两个X向弹性梁分支11在一条直线上，两个Y向弹性梁分支12在一条直线上，两个X向弹性梁分支11上的S型结构的开口方向相同，两个Y向弹性梁分支12上的S型结构的开口方向相同且与X向弹性梁分支11上的S型结构的开口方向垂直。在本实施例中，所述X向弹性梁分支11末端的S型结构的开口方向为左右方向；所述Y向弹性梁分支12末端的S型结构的开口方向为上下方向。
除此之外，本实施例对应变片的贴覆位置也有所设计。
所述两个X向弹性梁分支11结构完全相同且在对称的位置贴覆有相同的应变片；其中一个X向弹性梁分支11包括左侧面111和右侧面(图中被遮挡，未示出)，左侧面111的中心轴线上贴覆有第一应变片01和第二应变片02，右侧面上与第一应变片01和第二应变片02对应的位置分别贴覆有第三应变片和第四应变片(图中被遮挡，未示出)；另一个X向弹性梁分支11’上分别与第一应变片01、第二应变片02、第三应变片、第四应变片相对应的四个应变片记为第十三应变片013、第十四应变片014、第十五应变片、第十六应变片。
所述两个Y向弹性梁分支结构完全相同且在对称的位置贴覆有相同的应变片；其中一个Y向弹性梁分支12包括上表面121和下表面(图中被遮挡，未示出)，上表面121的中心轴线上贴覆有第五应变片05和第六应变片06，下表面上与第五应变片05和第六应变片06对应的位置分别贴覆有第七应变片和第八应变片(图中被遮挡，未示出)；另一个Y向弹性梁分支12’上分别与第五应变片05、第六应变片06、第七应变片、第八应变片(图中被遮挡，未示出)相对应的四个应变片记为第十七应变片017、第十八应变片018、第十九应变片、第二十应变片(图中被遮挡，未示出)。
所述中心垂直弹性梁2包括前侧面21、后侧面(图中被遮挡，未示出)、左侧面22和右侧面(图中被遮挡，未示出)，前侧面21与后侧面分别朝向两个X向弹性梁分支11，前侧面21的中心轴线上贴覆有第九应变片09和第十应变片010，后侧面上与第九应变片09和第十应变片010对应的位置分别贴覆有第十一应变片和第十二应变片(图中被遮挡，未示出)。
所有的应变片均为相同的应变片。设第一应变片01到Y向弹性梁分支12的距离为d1，设第五应变片05到中心垂直弹性梁2的距离为d2，设第九应变片09到X向弹性梁分支11的距离为d3，其中d1＝d2＝d3；设第二应变片02到Y向弹性梁分支12的距离为d4，设第六应变片06到中心垂直弹性梁2的距离为d5，设第十应变片10到X向弹性梁分支11的距离为d6，其中d4＝d5＝d6；且第一应变片01到Y向弹性梁分支12的距离与第二应变片02到Y向弹性梁分支12的距离不相等，即d1≠d4。
这20个应变片一共组成了六组应变片组。每个应变片组通过电气连接组成一个Wheatstone全桥或半桥电路，用于测量空间一个维度的力或力矩。
第一应变片01、第三应变片、第十三应变片013和第十五应变片组成第一应变片组；第二应变片02、第四应变片、第十四应变片014和第十六应变片组成第二应变片组。当传感器受到Y方向的作用力或Z方向的力矩时，X方向的水平弹性梁会产生较大形变，因此，第一、二应变片组组成的Wheatstone电桥电路分别用于测量Y方向的作用力Fy和Z方向的力矩Mz的大小。
第五应变片05、第七应变片、第十七应变片017和第十九应变片组成第三应变片组；第六应变片06、第八应变片、第十八应变片018和第二十应变片组成第四应变片组。当传感器受到Z方向作用力或X方向的力矩时，Y方向的水平弹性梁产生较大形变，因此，第三、四应变片组组成的Wheatstone电桥电路分别用于测量Z方向作用力Fz和X方向的力矩Mx的大小。
第九应变片09和背面的第十一应变片组成第五应变片组，第十应变片10和背面的第十二应变片组成第六应变片组。当传感器受到X方向作用力或Y方向力矩时，中心竖直弹性梁产生较大形变，因此，第五、六应变片组组成的Wheatstone电桥电路分别用于测量X方向作用力Fx和Y方向力矩My的大小。
该结构除了在四个水平弹性梁分支的相应位置粘贴有应变片组外，在中心垂直弹性梁2朝向X向弹性梁分支的两个侧面也贴覆有两对应变片，测量误差相对较小。该传感器结构在两个方向间存在耦合(如Fy,Mz之间，Fz,Mx之间，Fx,My之间)，可以使解耦算法简单化，更加容易解耦。

Claims (10)

1.一种具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，包括水平弹性梁(1)、中心垂直弹性梁(2)、加载轴(3)及外圈固定台(4)，所述水平弹性梁(1)为十字形结构，水平弹性梁(1)包括四个等长分支，所述中心垂直弹性梁(2)的一端固定在水平弹性梁(1)十字形结构的中心位置，且与十字形结构所在的面垂直，所述加载轴(3)安装在中心垂直弹性梁(2)的另一端，所述外圈固定台(4)为套设在水平弹性梁(1)外侧的圆环状部件，外圈固定台(4)包括内侧面(41)，水平弹性梁(1)的四个分支的末端固定在外圈固定台(4)的内侧面(41)上，水平弹性梁(1)的四个分支的末端均为S型结构，所述水平弹性梁(1)和/或中心垂直弹性梁(2)上还贴覆有应变片。
2.根据权利要求1所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述中心垂直弹性梁(2)和水平弹性梁(1)的四个分支均为横截面是正方形的四棱柱。
3.根据权利要1或2所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述水平弹性梁(1)的四个分支包括两个X向弹性梁分支(11)和两个Y向弹性梁分支(12)，两个X向弹性梁分支(11)在一条直线上，两个Y向弹性梁分支(12)在一条直线上，两个X向弹性梁分支(11)上的S型结构的开口方向相同，两个Y向弹性梁分支(12)上的S型结构的开口方向相同且与X向弹性梁分支(11)上的S型结构的开口方向垂直。
4.根据权利要求3所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述两个X向弹性梁分支(11)结构完全相同且在对称的位置贴覆有相同的应变片；X向弹性梁分支(11)包括左侧面(111)和右侧面，左侧面(111)的中心轴线上贴覆有第一应变片(01)和第二应变片(02)，右侧面上与第一应变片(01)和第二应变片(02)对应的位置分别贴覆有第三应变片和第四应变片；
所述两个Y向弹性梁分支结构完全相同且在对称的位置贴覆有相同的应变片；Y向弹性梁分支(12)包括上表面(121)和下表面，上表面(121)的中心轴线上贴覆有第五应变片(05)和第六应变片(06)，下表面上与第五应变片(05)和第六应变片(06)对应的位置分别贴覆有第七应变片和第八应变片；
所述中心垂直弹性梁(2)包括前侧面(21)、后侧面、左侧面(22)和右侧面，前侧面(21)与后侧面分别朝向两个X向弹性梁分支(11)，前侧面(21)的中心轴线上贴覆有第九应变片(09)和第十应变片(10)，后侧面上与第九应变片(09)和第十应变片(10)对应的位置分别贴覆有第十一应变片和第十二应变片。
5.根据权利要求4所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，第一应变片(01)、第二应变片(02)、第三应变片、第四应变片、第五应变片(05)、第六应变片(06)、第七应变片、第八应变片、第九应变片(09)、第十应变片(10)、第十一应变片及第十二应变片均为相同的应变片。
6.根据权利要求4所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，设第一应变片(01)到Y向弹性梁分支(12)的距离为d1，设第五应变片(05)到中心垂直弹性梁(2)的距离为d2，设第九应变片(09)到X向弹性梁分支(11)的距离为d3，其中d1＝d2＝d3；设第二应变片(02)到Y向弹性梁分支(12)的距离为d4，设第六应变片(06)到中心垂直弹性梁(2)的距离为d5，设第十应变片(10)到X向弹性梁分支(11)的距离为d6，其中d4＝d5＝d6；且d1≠d4。
7.根据权利要求1或2所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述S型结构的厚度为1mm。
8.根据权利要求1或2所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述加载轴(3)为圆柱体结构。
9.根据权利要求1或2所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述外圈固定台(4)上设有多个上下通孔，用于固定传感器。
10.根据权利要求4所述的具有弹性体结构的六维力传感器，其特征在于，所述所述X向弹性梁分支(11)末端的S型结构的开口方向为左右方向；所述Y向弹性梁分支(12)末端的S型结构的开口方向为上下方向。
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