CN110243525B - 一种六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六维力传感器，包含上平台、下平台、柱体、第一至第四垂直梁、以及第一至第十六应变片。本发明首先提出一种弹性体结构，然后，在弹性体上对力/力矩敏感的区域粘贴应变片。应变片会将弹性体在外力作用下的应变转换为应变片敏感栅的形变，由于金属合金的电阻特性，金属丝的伸长或缩短会导致电阻的变化，敏感栅的形变将进一步导致应变片电阻发生变化。进行力测量时，首先通过惠斯通全桥电路将应变片的电阻变化转换为电压输出，然后根据六维力传感器的输入（力F）输出（全桥电路电压输出）关系计算出六维力传感器的受力。本发明需要贴装的应变片更少，灵敏性好，且安装方便。

Description

一种六维力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种六维力传感器。

背景技术

六维力传感器因其能同时检测空间内的三维力和三维力矩，已经被广泛应用于工业、航空以及机器人领域。目前关于六维力传感器已有多方面的研究。研究的热点问题之一便是力传感器的弹性体结构设计，这是因为弹性体的结构设计将直接或间接影响到传感器设计的三大主要参数：测量灵敏度、各向同性以及耦合程度。六维力传感器弹性体的典型结构主要包括十字梁结构、三梁非径向结构、T型梁结构、竖梁结构以及Stewart平台结构等。其中基于Maltese十字梁结构的传感器是使用最为广泛的一种六维力传感器，参见图1，但是依然存在着各向同性差，耦合程度高的致命缺陷。要想克服这些缺陷，就要增加应变片的贴片数量，而这样将进一步地引入新的测量误差。

同时，Maltese十字梁结构传感器一般要在狭小的空间内粘贴24片应变片，组成六路全桥电路。由于应变片贴片位置会影响传感器的测量精度，这无疑对应变片粘贴工艺也提出很高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为克服传统六维力传感器耦合严重、各向同性差以及应变片数量多且不易粘贴的缺点，本发明提出一种六维力传感器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种六维力传感器，包含上平台、下平台、柱体、第一至第四垂直梁、以及第一至第十六应变片；

所述柱体为上下开口的空心矩形柱，包含依次相连的第一至第四侧面，所述第一侧面、第三侧面上均设有开口朝下的U形缺口；所述第二侧面、第四侧面上均设有开口朝上的U形缺口；所述第一至第四侧面上的U形缺口均包含一个底边和两个和底边垂直的竖边，且第一至第四侧面上的U形缺口均关于其所在柱体侧面的垂直中轴线对称；

所述第一至第四垂直梁分别设置在所述第一至第四侧面的U形缺口中，其中，第一垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第一侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第二垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第二侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第三垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第三侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第四垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第四侧面U形缺口底边的中点垂直固连；所述第一至第四垂直梁分别将所述第一至第四侧面U形缺口的底边等分为两条水平梁，且第一至第四垂直梁所在平面分别垂直于其所在柱体侧面；

所述第一、第四应变片分别设置在所述第一侧面上靠近、远离第四侧面的水平梁的下端面中点处；所述第二，第三应变片分别设置在所述第一垂直梁靠近、远离第四侧面的端面上，且均位于其所在端面上部1/3处；

所述第五、第六应变片分别设置在所述第二垂直梁靠近、远离第一侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第七、第八应变片分别设置在所述第二侧面靠近、远离第一侧面的水平梁的上端面中点处；

所述第九、第十应变片分别设置在所述第三侧面靠近、远离第二侧面的水平梁的下端面中点处；所述第十一、第十二应变片分别设置在第三垂直梁靠近、远离第二侧面的端面上，且均位于其所在端面上部的1/3处；

所述第十三、第十四应变片分别设置在所述第四垂直梁靠近、远离第三侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第十五、第十六应变片设置在所述第四侧面上靠近、远离第三侧面的水平梁的上端面中点处。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明提出的六维力传感器，采用整体切割工艺，具有良好的对称性，可以颠倒使用，安装方便；

2.切割工艺所形成的水平梁和垂直梁保证了弹性体具有很好的测量灵敏度，在相应的力/力矩作用下有着明显的形变；

3.水平梁和垂直梁的位置便于应变片的粘贴；同Maltese十字梁结构相比，本发明只需粘贴更少数量的应变片(Maltese十字梁需要粘贴24片，而本发明只需要粘贴16片)，提高了工艺性。

附图说明

图1是Maltese十字梁结构弹性体；

图2是本发明所提出的创新六维力传感器弹性体结构示意图；

图3是本发明所提出的创新六维力传感器第一侧面示意图；

图4是本发明所提出的创新六维力传感器第二侧面示意图；

图5是本发明所提出的创新六维力传感器第三侧面示意图；

图6是本发明所提出的创新六维力传感器第四侧面示意图；

图7是惠斯通全桥电路的组桥原理示意图；

图8是用于检测Fx力分量的惠斯通全桥电路组桥示意图；

图9是用于检测空间力F六分量的六路惠斯通全桥电路组桥示意图。

图中，1-上平台，2-第四垂直梁，3-水平梁，4-下平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明提出了一种六维力传感器，包含上平台、下平台、柱体、第一至第四垂直梁、以及第一至第十六应变片；

所述柱体为上下开口的空心矩形柱，包含依次相连的第一至第四侧面，所述第一侧面、第三侧面上均设有开口朝下的U形缺口；所述第二侧面、第四侧面上均设有开口朝上的U形缺口；所述第一至第四侧面上的U形缺口均包含一个底边和两个和底边垂直的竖边，且第一至第四侧面上的U形缺口均关于其所在柱体侧面的垂直中轴线对称；

所述第一至第四垂直梁分别设置在所述第一至第四侧面的U形缺口中，其中，第一垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第一侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第二垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第二侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第三垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第三侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第四垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第四侧面U形缺口底边的中点垂直固连；所述第一至第四垂直梁分别将所述第一至第四侧面U形缺口的底边等分为两条水平梁，且第一至第四垂直梁所在平面分别垂直于其所在柱体侧面；

所述第一、第四应变片分别设置在所述第一侧面上靠近、远离第四侧面的水平梁的下端面中点处；所述第二，第三应变片分别设置在所述第一垂直梁靠近、远离第四侧面的端面上，且均位于其所在端面上部1/3处；

所述第五、第六应变片分别设置在所述第二垂直梁靠近、远离第一侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第七、第八应变片分别设置在所述第二侧面靠近、远离第一侧面的水平梁的上端面中点处；

所述第九、第十应变片分别设置在所述第三侧面靠近、远离第二侧面的水平梁的下端面中点处；所述第十一、第十二应变片分别设置在第三垂直梁靠近、远离第二侧面的端面上，且均位于其所在端面上部的1/3处；

所述第十三、第十四应变片分别设置在所述第四垂直梁靠近、远离第三侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第十五、第十六应变片设置在所述第四侧面上靠近、远离第三侧面的水平梁的上端面中点处。

本发明首先提出一种弹性体结构，如图2所示，采用弹性材料整体切割而成，在六面体的基础上通过切割，分别在两个侧面形成正“T”型，两个侧面形成倒“T”型。

然后，在弹性体上对力/力矩敏感的区域粘贴应变片。应变片会将弹性体在外力作用下的应变转换为应变片敏感栅的形变，由于金属合金的电阻特性，金属丝的伸长或缩短会导致电阻的变化，敏感栅的形变将进一步导致应变片电阻发生变化。根据弹性体在每个单独力分量下的特定形变以及考虑到应变片粘贴的空间要求，应变片的粘贴位置如图3、图4、图5、图6所示，图中R1、R2、…、R15、R16分别对应第一至第十六应变片。

接着，进一步通过惠斯通全桥电路将应变片的电阻变化转换为电压输出。每四个应变片组成一路全桥电路，共组成6路全桥电路用于测量三维空间内的六个力分量(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)。由惠斯通全桥电路的组桥原理可知，桥路中的四个应变片均参与工作，且互为补偿片，相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，一个受压。在实践中，如图7所示，应变片A和C用于检测拉伸应变，应变片B和D用于检测压缩应变。基于此原则，结合考虑上述弹性体在每个单独力分量下的特定变形，用于检测六个力分量的六路电桥的组成情况(不仅限于)如下：

Fx：(R2,R3,R11,R12)；

Fy：(R5,R6,R13,R14)；

Fz：(R7,R1,R9,R15)；

Mx：(R8,R7,R16,R15)；

My：(R1,R4,R9,R10)；

Mz：(R5,R3,R12,R13)；

以Fx为例说明：

在Fx作用下，R2，R12受拉，R3，R11受压。故检测Fx力分量的全桥电路组桥如图8所示。

同理，在其它力分量(Fy，Fz，Mx，My，Mz)的作用下，按照图7所示组桥原理进行惠斯通全桥电路的组桥(A、C表示受拉电阻，B、D表示受压电阻)。用于检测六个力分量的六路惠斯通全桥电路如图9所示。

传感器的输入(力F)输出(全桥电路电压输出)关系具体如下：根据矩阵运算F_6×1＝C_6×6·V_6×1，可根据桥路的电压输出和已知的标定矩阵求解出受力情况；其中F是未知力向量F_6×1＝(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)^T；C_6×6是经过标定得出的已知标定矩阵；V_6×1是六路全桥电路的电压输出V＝(V_out1,V_out2,V_out3,V_out4,V_out5,V_out6)^T。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种六维力传感器，其特征在于，采用弹性材料整体切割而成，在六面体的基础上通过切割，分别在两个侧面形成正“T”型，两个侧面形成倒“T”型，包含上平台、下平台、柱体、第一至第四垂直梁、以及第一至第十六应变片；

所述柱体为上下开口的空心矩形柱，包含依次相连的第一至第四侧面，所述第一侧面、第三侧面上均设有开口朝下的U形缺口；所述第二侧面、第四侧面上均设有开口朝上的U形缺口；所述第一至第四侧面上的U形缺口均包含一个底边和两个和底边垂直的竖边，且第一至第四侧面上的U形缺口均关于其所在柱体侧面的垂直中轴线对称；

所述第一至第四垂直梁分别设置在所述第一至第四侧面的U形缺口中，其中，第一垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第一侧面U形缺口底边的中点垂直固连，且所述第一侧面U形缺口底边与所述上平台不相连、所述第一侧面U型缺口竖边与所述下平台不相连；第二垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第二侧面U形缺口底边的中点垂直固连，且所述第二侧面U形缺口底边与所述下平台不相连、所述第二侧面U型缺口竖边与所述上平台不相连；第三垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第三侧面U形缺口底边的中点垂直固连，且所述第三侧面U形缺口底边与所述上平台不相连、所述第三侧面U型缺口竖边与所述下平台不相连；第四垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第四侧面U形缺口底边的中点垂直固连，且所述第四侧面U形缺口底边与所述下平台不相连、所述第四侧面U型缺口竖边与所述上平台不相连；所述第一至第四垂直梁分别将所述第一至第四侧面U形缺口的底边等分为两条水平梁，且第一至第四垂直梁所在平面分别垂直于其所在柱体侧面；

所述第一、第四应变片分别设置在所述第一侧面上靠近、远离第四侧面的水平梁的下端面中点处；所述第二、 第三应变片分别设置在所述第一垂直梁靠近、远离第四侧面的端面上，且均位于其所在端面上部1/3处；

所述第五、第六应变片分别设置在所述第二垂直梁靠近、远离第一侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第七、第八应变片分别设置在所述第二侧面靠近、远离第一侧面的水平梁的上端面中点处；

所述第九、第十应变片分别设置在所述第三侧面靠近、远离第二侧面的水平梁的下端面中点处；所述第十一、第十二应变片分别设置在第三垂直梁靠近、远离第二侧面的端面上，且均位于其所在端面上部的1/3处；

所述第十三、第十四应变片分别设置在所述第四垂直梁靠近、远离第三侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第十五、第十六应变片设置在所述第四侧面上靠近、远离第三侧面的水平梁的上端面中点处。

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