CN112362217A - 测力传感器以及具有其的运动控制设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种测力传感器以及具有其的运动控制设备，包括传感器本体；传感器本体为一维测力传感器；至少两个一维测力传感器可拼接形成多维测力传感器；一维测力传感器上设置有拼接结构；在至少两个一维测力传感器中，每个一维测力传感器的拼接结构均可与其他任意一个或多个一维测力传感器的拼接结构配合，以拼接形成多维测力传感器。根据本申请的测力传感器，通过至少两个一维测力传感器拼接形成多维测力传感器，一维测力传感器结构简单，便于加工。
Description
技术领域
本申请属于传感器设计技术领域，具体涉及一种测力传感器以及具有其的运动控制设备。
背景技术
目前，多维力矩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力传感器。多维力矩传感器最完整的形式是六维力/力矩传感器，其广泛用于机器人、航空航天、汽车制造、生物医学等行业。多维力矩传感器分为电阻应变式、电容式、压电式和光学式等几类。其中电阻应变式应用最为广泛与成熟。电阻应变式多维力矩传感器力敏感原理是应变片的应变电阻效应，当外力施加在对力敏感的弹性元件上时，弹性体发生变形，从而引起贴在弹性元件上的应变片发生变形，并将受到的力以相应量的电阻阻值的变化输出，最后通过转化电路把电阻的变化转化成电压的变化用于后期的检测和处理。
但是，现有技术中的多维力传感器弹性体结构采用十字梁式和基于并联机构的stewart平台式结构居多。十字梁结构传感器的弹性体采用十字结构，在十字梁结构两侧粘贴应变片进行力的测量，stewart平台式结构是通过推杆连接上下平台，推杆上有转动副，这些结构均结构和加工工艺复杂、价格较高。
因此，如何提供一种结构简单、便于加工的测力传感器以及具有其的运动控制设备为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种测力传感器以及具有其的运动控制设备，结构简单、便于加工。
为了解决上述问题，本申请提供一种测力传感器，包括传感器本体；传感器本体为一维测力传感器；至少两个一维测力传感器可拼接形成多维测力传感器；一维测力传感器上设置有拼接结构；在至少两个一维测力传感器中，每个一维测力传感器的拼接结构均可与其他任意一个或多个一维测力传感器的拼接结构配合，以拼接形成多维测力传感器。
优选地，拼接结构包括相对应的第一卡接部和第二卡接部；在至少两个的一维测力传感器中，每个一维测力传感器的第一卡接部均可与其他任一一维测力传感器的第二卡接部卡接，以拼接形成多维测力传感器。
优选地，一维测力传感器为条形结构；第一卡接部设置于条形结构的端部；和/或，第二卡接部设置于条形结构的侧面。
优选地，第一卡接部设置为两个；两个第一卡接部分别设置于条形结构的两端部。
优选地，条形结构包括多个侧面；其中至少两个侧面相互垂直；每个侧面上均设置有第二卡接部。
优选地，第一卡接部为凸起；和/或，第二卡接部为卡接槽。
优选地，当第一卡接部为凸起时，凸起为四棱台；四棱台的顶面与条形结构的端面相贴合；四棱台的底面面积大于顶面。
优选地，四棱台的底面设置有螺纹孔；螺纹孔用于与待测部或固定部连接；和/或，四棱台为正四棱台。
优选地，当第一卡接部为凸起，第二卡接部为卡接槽时，卡接槽设置于条形结构的侧面；并且卡接槽的侧壁上设置有进槽口；凸起通过进槽口进出卡接槽。
优选地，条形结构包括在长度方向上依次连接的固定段、应变段和施力段；第二卡接部设置有两组；两组第二卡接部分别设置于固定段和施力段上；和/或，每组第二卡接部的数量为多个；多个第二卡接部围绕条形结构的周向设置。
优选地，条形结构具有相对的第一侧面和第二侧面；应变段上设置有第一凹槽；第一凹槽开设于第一侧面上；第一凹槽的槽底设置有第一应变片；第二侧面上设置有第二应变片；第二应变片与第一凹槽的位置相对应。
优选地，条形结构具有第一端部；应变段上还设置有第二凹槽；第二凹槽和第一凹槽向靠近第一端部的方向依次设置；第二凹槽开设于第二侧面上；
和/或，应变段上还设置有第三凹槽；第三凹槽和第一凹槽向远离第一端部的方向依次设置；第三凹槽开设于第二侧面上。
优选地，当应变段上还设置有第二凹槽时，在条形结构的长度方向上，第二凹槽的宽度小于第一凹槽的宽度；
和/或，当应变段上还设置有第三凹槽时，在条形结构的长度方向上，第三凹槽的宽度小于第一凹槽的宽度；
和/或，第一凹槽的槽底与第二侧面之间的距离为1-3mm；
和/或，当应变段上还设置有第二凹槽时，在条形结构的长度方向上，第二凹槽与第一凹槽的最小距离为1-3mm；
和/或，当应变段上还设置有第三凹槽时，在条形结构的长度方向上，第三凹槽与第一凹槽的最小距离为1-3mm；
和/或，条形结构为矩形梁。
根据本申请的再一方面，提供了一种运动控制设备，包括测力传感器，测力传感器为上述的测力传感器。
本申请提供的测力传感器以及具有其的运动控制设备，一维测力传感器结构简单、便于加工，通过至少两个一维测力传感器拼接形成多维测力传感器结构简单、便于加工。
附图说明
图1为本申请实施例的测力传感器的结构示意图；
图2为本申请实施例的测力传感器的结构示意图；
图3为本申请实施例的测力传感器的结构示意图。
附图标记表示为：
1、固定段；2、应变段；3、施力段；41、第一卡接部；42、第二卡接部；51、第一凹槽；52、第二凹槽；53、第三凹槽；6、螺纹孔；71、第一应变片；72、第二应变片。
具体实施方式
结合参见图1-2所示，根据本申请的实施例，一种测力传感器，包括传感器本体；传感器本体为一维测力传感器；至少两个一维测力传感器可拼接形成多维测力传感器；一维测力传感器上设置有拼接结构；在至少两个一维测力传感器中，每个一维测力传感器的拼接结构均可与其他任意一个或多个一维测力传感器的拼接结构配合，以拼接形成多维测力传感器。一维测力传感器结构简单、便于加工，通过至少两个一维测力传感器拼接形成多维测力传感器结构简单、便于加工。一维测力传感器的材料可使用铝合金或者不锈钢。
进一步地，拼接结构包括相对应的第一卡接部41和第二卡接部42；在至少两个的一维测力传感器中，每个一维测力传感器的第一卡接部41均可与其他任一一维测力传感器的第二卡接部42卡接，以拼接形成多维测力传感器；通过不同数量的一维测力传感器，采用不同的拼接方式，可以获得各种维度的传感器，结构和加工工艺简单。
进一步地，一维测力传感器为条形结构；第一卡接部41设置于条形结构的端部；和/或，第二卡接部42设置于条形结构的侧面；即当至少两个一维测力传感器进行拼接时，第一个一维传感器的端部与第二个一维测力传感器的侧面进行拼接，这样可以获得多个维度的传感器。
进一步地，第一卡接部41设置为两个；两个第一卡接部41分别设置于条形结构的两端部。
进一步地，条形结构包括多个侧面；其中至少两个侧面相互垂直；每个侧面上均设置有第二卡接部42；这样即可以使得三个一维测力传感器的方向互相垂直，即至少可以测量三维力。
进一步地，第一卡接部41为凸起；第二卡接部42为卡接槽。
进一步地，当第一卡接部41为凸起时，凸起为四棱台；四棱台的顶面与条形结构的端面相贴合；四棱台的底面面积大于顶面，此时卡接槽的结构与四棱台的结构相对应；即四棱柱为外端宽的倒金字塔结构，卡接槽为外侧窄内侧宽，类似于燕尾槽结构。
进一步地，四棱台的底面设置有螺纹孔6；螺纹孔6用于与待测部或固定部连接；四棱台为正四棱台。条形结构第一端设置的四棱台的底面设置有第一螺纹孔6，第一螺纹孔6用于与外部加载力装置连接；条形结构第二端设置的四棱台的底面设置有第二螺纹孔6；第二螺纹孔6用于与固定装置连接。正四棱台可以从四个方向进入卡接槽，便于拼接，并且可以更好的拼接形成多维测力传感器。
进一步地，当第一卡接部41为凸起，第二卡接部42为卡接槽时，卡接槽设置于条形结构的侧面；并且卡接槽的侧壁上设置有进槽口；凸起通过进槽口进出卡接槽，比如图1-2中，卡接槽的进槽口设置在条形结构的端部，其与四棱台侧面的结构相同，使得四棱台可以通过该进槽口滑进卡接槽内完成拼接；即进槽口位于四棱柱的末端，条形结构两端的四棱台可与的任一卡接槽进行配合；四棱台从条形结构端部的进槽口进出卡接槽。
进一步地，条形结构包括在长度方向上依次连接的固定段1、应变段2和施力段3；第二卡接部42设置有两组；两组第二卡接部42分别设置于固定段1和施力段3上；每组第二卡接部42的数量为多个；多个第二卡接部42围绕条形结构的周向设置；四棱台可与的任一卡接槽进行配合；可将若干个一维测力传感器进行各种形式的组合得到其他维度的传感器。如在XYZ方向进行组合，可以用与测量三维力，也可其他方式多方位组合，用与六维力测量，组合方式简单。
进一步地，条形结构具有相对的第一侧面和第二侧面；应变段2上设置有第一凹槽51；第一凹槽51开设于第一侧面上；第一凹槽51的槽底设置有第一应变片71；第二侧面上设置有第二应变片72；第二应变片72与第一凹槽51的位置相对应。第一凹槽51为球形槽；或者第一凹槽51的横截面为圆形槽、八边形或方形。也可以是在第一侧面上设置一个凹槽，第二侧面对应位置开设一个凹槽，在两个凹槽的槽底分布设置第一应变片71和第二应变片72，此处形成弹性梁。
进一步地，条形结构具有第一端部；应变段2上还设置有第二凹槽52；第二凹槽52和第一凹槽51向靠近第一端部的方向依次设置；第二凹槽52开设于第二侧面上；
应变段2上还设置有第三凹槽53；第三凹槽53和第一凹槽51向远离第一端部的方向依次设置；第三凹槽53开设于第二侧面上。
结合参见图3所示，根据本申请的实施例，当应变段2上还设置有第二凹槽52时，在条形结构的长度方向上，第二凹槽52的宽度小于第一凹槽51的宽度；
当应变段2上还设置有第三凹槽53时，在条形结构的长度方向上，第三凹槽53的宽度小于第一凹槽51的宽度；其中第一凹槽51的宽度为d1；第二凹槽52的宽度为d2；第三凹槽53的宽度为d3；d1>d2；d1>d3。
第一凹槽51的槽底与第二侧面之间的距离为1-3mm；
当应变段2上还设置有第二凹槽52时，在条形结构的长度方向上，第二凹槽52与第一凹槽51的最小距离为1-3mm；
当应变段2上还设置有第三凹槽53时，在条形结构的长度方向上，第三凹槽53与第一凹槽51的最小距离为1-3mm，第一凹槽51、第二凹槽52和第三凹槽53形成S型梁结构即弹性梁；通过两小一大的凹槽加工成S型结构支撑传感器测力单元主体，单个一维测力传感器作用原理是：弹性体受力变形时，应变片的阻值随之发生变化，组成电桥输出电压发生变化，控制器方面采集放大转换可得到受力大小应变片所粘贴位置为应变最敏感的位置，通过第一应变片71和第二应变片72以及外接电阻组成全桥式电路。该部分测力敏感元件可构成一维测力传感器，用于测量垂直于应变片方向的力F。应变片组桥后与后端控制器采集相连，应变片输出的模拟信号经过放大、滤波到模数转换芯片ADC，经过ADC处理后到控制芯片MCU，经过MCU处理后到达缓存区RAM，最后通过通讯到达上位机。所述条形结构为矩形梁。传感器测力单元的结构整体，沿中间平面对称分布，即施力端和固定端关于应变段2对称分布。条形结构为矩形梁。
根据本申请实施例，提供了一种运动控制设备，包括测力传感器，测力传感器为上述的测力传感器。运动控制设备可以为机器人。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (14)
1.一种测力传感器，其特征在于，包括传感器本体；所述传感器本体为一维测力传感器；至少两个所述一维测力传感器可拼接形成多维测力传感器；所述一维测力传感器上设置有拼接结构；在至少两个所述一维测力传感器中，每个所述一维测力传感器的拼接结构均可与其他任意一个或多个所述一维测力传感器的拼接结构配合，以拼接形成多维测力传感器。
2.根据权利要求1中所述的测力传感器，其特征在于，所述拼接结构包括相对应的第一卡接部(41)和第二卡接部(42)；在至少两个的所述一维测力传感器中，每个所述一维测力传感器的第一卡接部(41)均可与其他任一所述一维测力传感器的第二卡接部(42)卡接，以拼接形成多维测力传感器。
3.根据权利要求2中所述的测力传感器，其特征在于，所述一维测力传感器为条形结构；所述第一卡接部(41)设置于所述条形结构的端部；和/或，所述第二卡接部(42)设置于所述条形结构的侧面。
4.根据权利要求3中所述的测力传感器，其特征在于，所述第一卡接部(41)设置为两个；两个所述第一卡接部(41)分别设置于所述条形结构的两端部。
5.根据权利要求3中所述的测力传感器，其特征在于，所述条形结构包括多个侧面；其中至少两个所述侧面相互垂直；每个所述侧面上均设置有第二卡接部(42)。
6.根据权利要求3中所述的测力传感器，其特征在于，所述第一卡接部(41)为凸起；和/或，所述第二卡接部(42)为卡接槽。
7.根据权利要求6中所述的测力传感器，其特征在于，当所述第一卡接部(41)为凸起时，所述凸起为四棱台；所述四棱台的顶面与所述条形结构的端面相贴合；所述四棱台的底面面积大于所述顶面。
8.根据权利要求7中所述的测力传感器，其特征在于，所述四棱台的底面设置有螺纹孔(6)；所述螺纹孔(6)用于与待测部或固定部连接；和/或，所述四棱台为正四棱台。
9.根据权利要求6中所述的测力传感器，其特征在于，当所述第一卡接部(41)为凸起，所述第二卡接部(42)为卡接槽时，所述卡接槽设置于所述条形结构的侧面；并且所述卡接槽的侧壁上设置有进槽口；所述凸起通过所述进槽口进出所述卡接槽。
10.根据权利要求3中所述的测力传感器，其特征在于，所述条形结构包括在长度方向上依次连接的固定段(1)、应变段(2)和施力段(3)；所述第二卡接部(42)设置有两组；两组所述第二卡接部(42)分别设置于所述固定段(1)和所述施力段(3)上；和/或，每组所述第二卡接部(42)的数量为多个；多个所述第二卡接部(42)围绕所述条形结构的周向设置。
11.根据权利要求10中所述的测力传感器，其特征在于，所述条形结构具有相对的第一侧面和第二侧面；所述应变段(2)上设置有第一凹槽(51)；所述第一凹槽(51)开设于所述第一侧面上；所述第一凹槽(51)的槽底设置有第一应变片(71)；所述第二侧面上设置有第二应变片(72)；所述第二应变片(72)与所述第一凹槽(51)的位置相对应。
12.根据权利要求11中所述的测力传感器，其特征在于，所述条形结构具有第一端部；所述应变段(2)上还设置有第二凹槽(52)；所述第二凹槽(52)和所述第一凹槽(51)向靠近所述第一端部的方向依次设置；所述第二凹槽(52)开设于所述第二侧面上；
和/或，所述应变段(2)上还设置有第三凹槽(53)；所述第三凹槽(53)和所述第一凹槽(51)向远离所述第一端部的方向依次设置；所述第三凹槽(53)开设于所述第二侧面上。
13.根据权利要求12中所述的测力传感器，其特征在于，当所述应变段(2)上还设置有第二凹槽(52)时，在所述条形结构的长度方向上，所述第二凹槽(52)的宽度小于所述第一凹槽(51)的宽度；
和/或，当所述应变段(2)上还设置有第三凹槽(53)时，在所述条形结构的长度方向上，所述第三凹槽(53)的宽度小于所述第一凹槽(51)的宽度；
和/或，所述第一凹槽(51)的槽底与所述第二侧面之间的距离为1-3mm；
和/或，当所述应变段(2)上还设置有第二凹槽(52)时，在所述条形结构的长度方向上，所述第二凹槽(52)与所述第一凹槽(51)的最小距离为1-3mm；
和/或，当所述应变段(2)上还设置有第三凹槽(53)时，在所述条形结构的长度方向上，所述第三凹槽(53)与所述第一凹槽(51)的最小距离为1-3mm；
和/或，所述条形结构为矩形梁。
14.一种运动控制设备，包括测力传感器，其特征在于，所述测力传感器为上述权利要求1-13中任一项所述的测力传感器。
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