CN113375852A - 一种机械解耦型六维力和力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械解耦型六维力和力矩传感器，包括固定台、中心加载台、四个弹性支链和粘贴其上的应变片。四个弹性支链均布设在中心加载台周边，每个弹性支链包括弹性梁体、圆形板和若干浮动梁体，圆形板与弹性梁体垂直连接，若干浮动梁体一端并联连接于圆形板，另一端固定连接在中心加载台上，弹性梁体四个侧面用于粘贴应变片以组成六组全桥电路，每组用于感测一维力或力矩。本发明可从结构上实现力和力矩解耦及有效解决力和力矩测量输出信号间的耦合串扰问题，便于贴片组桥和降低信号处理***及解耦算法的复杂度，提高传感器测量灵敏度，适用于机器人及工业场合对多维度力和力矩的快速感知与测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种六维力和力矩传感器，尤其涉及一种机械解耦型六维力和力矩传感器。
背景技术
六维力和力矩传感器能够同时检测三维空间三个正交力和三个正交力矩的全部信息，随着自动化、智能化水平以及机器人技术的快速发展，已经广泛应用于航空航天、机器人、汽车制造、工业生产和医疗等各大领域，对于满足各行业工程测力需求而言有着重要作用。
六维力和力矩传感器设计的关键技术难点是其弹性体的结构设计，作为传感器感知外部力载荷和应变信息传输的重要媒介，其结构设计要同时兼顾考虑传感器各项静动态性能，包括线性度、灵敏度、固有频率、解耦性能等，以及弹性体加工的难易程度和制造成本。
现有的六维力和力矩传感器弹性体的根据其结构型式可大致归结为两类：一类是由整块材料经减材制造加工而成的整体式弹性体结构，比较有代表性的Maltese十字梁结构，如中国专利CN108918013A，该类弹性体具有测量精度和线性度高、迟滞小、无摩擦间隙、结构紧凑及无需装配等优点，缺点是组桥困难，存在维间耦合过大及贴片位置难以确定等问题；另一类是由多测量分支经并联组合而成的并联装配式弹性体结构，如中国专利CN106918418B，将十字梁端部通过转动滑动副安装在外部的外壳上，形成组合结构，该类弹性体具有承载能力大贴片位置确定力映射解析易于表达等优点；随着不断的使用后，转动滑动副的安装结构会存在一定磨损间隙和松动，就会存在零点漂移重复定位性差需要反复标定等问题；另外对四个转动滑动副的加工和装配的一致性要求较高，生产难度大，不易实现；
针对现有技术的不足，急需开发出结构紧凑、成本低、能一体成形制造，且具有较高线性度、测量灵敏度和极低维间耦合等优点的六维力和力矩传感器，已适应和满足工业自动化领域对高频高速测力传感器的应用需求。
发明内容
本发明的技术方案：一种机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：该传感器包括弹性结构体和应变片组；
所述弹性结构体包括位于外圈的固定台、与固定台同轴线布置的圆筒形的加载台、连接在固定台和加载台之间的若干个沿加载台圆周均布的相同弹性支链，固定台和加载台在厚度方向同中心面布置，弹性支链长度方向的中心线布置在该中心面上；
每个弹性支链以加载台竖向轴线为中心沿径向呈辐条状布置，弹性支链包括横截面为矩形的弹性梁体、圆形板体和若干个浮动梁体，弹性梁体里端与加载台外侧圆柱面固定连接，圆形板体同轴心地连接在弹性梁体外端，若干个浮动梁体呈辐条状均布在圆形板体周围，每个浮动梁体沿圆形板体的直径方向布置；在固定台上与弹性梁体对应位置设有横向贯穿固定台的圆孔，圆孔与圆形板体同轴线布置，浮动梁体的两端固定连接在圆孔内圆柱面和圆形板体的外圆柱面之间。
优选的，所述固定台、加载台、以及弹性支链的弹性梁体、圆形板体、浮动梁体均为一体成形结构。
优选的，加载台上设有沿圆周均布并贯穿上下端面的安装通孔，该安装通孔位于加载台内外圆柱侧面的中间位置，加载台外圆柱面设有同弹性支链数量相同的外缘凸台，外缘凸台和弹性梁体内端固定连接，且外缘凸台前端面与弹性梁体长度方向的中心线垂直。
优选的，弹性梁体为实心结构，沿弹性梁体长度方向截面形状保持不变；所有弹性梁体长度方向的中心线位于加载台厚度方向同中心面上，并相交于加载台中心轴线上。
优选的，所述圆形板体覆盖弹性梁体外端面，所有浮动梁体的结构相同，浮动梁体宽度与圆形板厚度相等，圆形板体厚度d，圆孔长度L， 1/6L≤d≤1/3L，圆形板体的直径为圆孔之间的1/3到1/2之间。
优选的，所述若干浮动梁体除与圆形板和圆孔连接的两端外，其余部分为矩形横截面；浮动梁体的个数4n个，n为正整数；其中有两个浮动梁体的长度方向中心线与上述所有弹性梁体的长度方向中心线位于同一平面内。
优选的，所述若干浮动梁体和圆形板内侧面与所述固定台内侧平面共面。
优选的，所述的弹性支链为四个、圆孔也为四个，所述固定台为方形框，圆孔位于每个框的中部，固定台四角内外侧面均通过圆角过渡，固定台四角的横向宽度大于框的宽度。
优选的，所述的弹性支链为三个、圆孔也为三个，所述固定台为圆筒形。
优选的，所述的弹性支链为八个、圆孔也为八个，所述固定台为圆筒形。
本发明的有益技术效果是：
该机械解耦型六维力和力矩传感器，包括固定台、中心加载台、弹性支链和粘贴其上的应变片。弹性支链均布设在中心加载台周边，每个弹性支链包括弹性梁体、圆形板和若干浮动梁体，圆形板与弹性梁体垂直连接，若干浮动梁体一端并联连接于圆形板，另一端固定连接在中心加载台上，弹性梁体四个侧面用于粘贴应变片以组成六组全桥电路，每组用于感测一维力或力矩。本发明可从结构上实现力和力矩解耦及有效解决力和力矩测量输出信号间的耦合串扰问题，便于贴片组桥和降低信号处理***及解耦算法的复杂度，提高传感器测量灵敏度，适用于机器人及工业场合对多维度力和力矩的快速感知与测量。
本发明的传感器拥有背景技术中优点的同时也克服了上述缺点，从结构上实现力和力矩解耦及有效解决力和力矩测量输出信号间的耦合串扰问题，便于贴片组桥和降低信号处理***及解耦算法的复杂度，提高传感器测量灵敏度，且结构上加工简单，制造方便。重点设计在于弹性支链的浮动梁体具有较大的扭转变形，可以显著降低或消除弯矩对横向力桥路测量电压的信号输出。
附图说明
图1是本发明机械解耦型六维力和力矩传感器的立体图；
图2是图1中A处的放大图；
图3是本发明一种机械解耦型六维力和力矩传感器的主视图；
图4是本发明一种机械解耦型六维力和力矩传感器的左视图；
图5是在ANSYS软件中定义四个弹性支链和8个应变路径；
图6是用ANSYS软件给本发明加载一个如图中方向的弯矩B；
图7是图5中加载弯矩B后本发明的仿真结构变形示意图；
图8是图5中加载弯矩B后本发明中路径1上的正应变示意图；
图9是图5中加载弯矩B后本发明中路径2上的正应变示意图；
图10是图5中加载弯矩B后本发明中路径3上的正应变示意图；
图11是图5中加载弯矩B后本发明中路径4上的正应变示意图；
图12是图5中加载弯矩B后本发明中路径5上的正应变示意图；
图13是图5中加载弯矩B后本发明中路径6上的正应变示意图；
图14是图5中加载弯矩B后本发明中路径7上的正应变示意图；
图15是图5中加载弯矩B后本发明中路径8上的正应变示意图；
图16是三个弹性支链的传感器的立体图；
图17是八个弹性支链的传感器的立体图；
图中：1.中心加载台、2.固定台、3.弹性支链、31.弹性梁体、32.圆形板、33.浮动梁体、4.应变片、5.外缘凸台、6.安装孔、7.固定孔、8.圆孔。
具体实施方式
实施例一：参见图1-4，图中一种机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：该传感器包括弹性结构体和应变片组；
所述弹性结构体包括位于外圈的固定台、与固定台同轴线布置的圆筒形的加载台、连接在固定台和加载台之间的若干个沿加载台圆周均布的相同弹性支链，固定台和加载台在厚度方向同中心面布置，弹性支链长度方向的中心线布置在该中心面上；
每个弹性支链以加载台竖向轴线为中心沿径向呈辐条状布置，弹性支链包括横截面为矩形的弹性梁体、圆形板体和若干个浮动梁体，弹性梁体里端与加载台外侧圆柱面固定连接，圆形板体同轴心地连接在弹性梁体外端，若干个浮动梁体呈辐条状均布在圆形板体周围，每个浮动梁体沿圆形板体的直径方向布置；在固定台上与弹性梁体对应位置设有横向贯穿固定台的圆孔，圆孔与圆形板体同轴线布置，浮动梁体的两端固定连接在圆孔内圆柱面和圆形板体的外圆柱面之间；
每个弹性梁体四个侧面粘贴应变片组形成若干组全桥电路，每组全桥电路用于测量解算单维的力或力矩。
所述固定台、加载台、以及弹性支链的弹性梁体、圆形板体、浮动梁体均为一体成形结构。
加载台上设有沿圆周均布并贯穿上下端面的安装通孔，该安装通孔位于加载台内外圆柱侧面的中间位置，加载台外圆柱面设有同弹性支链数量相同的外缘凸台，外缘凸台和弹性梁体内端固定连接，且外缘凸台前端面与弹性梁体长度方向的中心线垂直。
弹性梁体为实心结构，沿弹性梁体长度方向截面形状保持不变；所有弹性梁体长度方向的中心线位于加载台厚度方向同中心面上，并相交于加载台中心轴线上。
所述圆形板体覆盖弹性梁体外端面，所有浮动梁体的结构相同，浮动梁体宽度与圆形板厚度相等，圆形板体厚度d，圆孔长度L， 1/6L≤d≤1/3L，圆形板体的直径为圆孔之间的1/3到1/2之间。圆形板和若干浮动梁体结构的设计和布置可以解决传感器各维间串扰的问题，即使中心加载台在承受弯矩时，非测量该维弯矩的弹性支链弹性梁体支链受扭转时，变形主要集中在浮动梁体上，弹性梁体扭转变形小，进而可消除弯矩和横向力间的维间耦合，从结构上实现了从结构上实现传感器六个桥路间信号（力和力矩）的解耦。
浮动梁体与圆形板并联连接，可实现圆形板沿法向的移动、圆形板平面绕正交两轴的转动以及绕圆形板法向的转动，也即是可实现圆形板3个转动和1个移动，其结构兼具背景技术中提到中国专利CN106918418B中的组合结构的解耦的特点，同时克服了其安装组合结构带来的间隙和松动问题，以及重新标定零点的问题，还具有背景技术中提到的中国专利CN108918013A一体式结构的各种优点。
所述若干浮动梁体除与圆形板和圆孔连接的两端外，其余部分为矩形横截面；浮动梁体的个数4n个，n为正整数，本实施例中为16个；其中有两个浮动梁体的长度方向中心线与上述所有弹性梁体的长度方向中心线位于同一平面内。
所述若干浮动梁体和圆形板内侧面与所述固定台内侧平面共面。
所述的弹性支链为四个、圆孔也为四个，所述固定台为方形框，圆孔位于每个框的中部，固定台四角内外侧面均通过圆角过渡，固定台四角的横向宽度大于框的宽度。
所述全桥电路共六组，每组所用应变片的个数和规格型号均相同，其中四个应变片粘贴在相对两弹性梁体相对两侧面的对称中心线上，且距中心加载台外缘凸台前端面的距离相同。
本实施例和附图中只列出了一种解耦用的应变片的粘贴位置和方式，可根据解耦的实际需要选择应变片粘贴的位置和方式，且均属于本专利的保护范围。
参见图5-15：为通过ANSYS软件对实施例一种的传感器进行解耦特点分析，以图5中所示方向和状态，中间加载台几何中心建立空间坐标系O-XYZ，OX正方向为弹性支链1，OX轴负方向为弹性支链3，OZ轴正方向所在为弹性支链4，OZ轴负方向为弹性支链2。定义8条路径，路径1：弹性支链1上表面纵向对称线，路径2：弹性支链1下表面纵向对称线，路径3：弹性支链3上表面纵向对称线，路径4：弹性支链3下表面纵向对称线，路径5：弹性支链2左侧面纵向对称线，路径6：弹性支链2右侧面纵向对称线，路径7：弹性支链4左侧面纵向对称线，路径8：弹性支链1右侧面纵向对称线，用于测量弹性支链弹性梁体上下左右四个表面纵向对称线上的正向弹性应变。
在图6中加载如图中所示的大小为100N·m，方向为绕OZ轴的弯矩B且等效应力<小于材料的屈服强度380MPa；图7中可以看到加载弯矩B后ANSYS软件有限元仿真的结构变形，可以看到中心加载台在承受弯矩时，非测量该维弯矩的弹性支链2和4受扭转时，变形主要集中在浮动梁体上，弹性梁体扭转变形小，进而可消除弯矩和横向力间的维间耦合，从结构上实现了力和力矩的解耦。图8-15依次是路径1-8的正应变，图8-15中每幅图左侧显示当前路径；中间表示当前路径下弹性支链的仿真结构变形；右侧代表桥路应变输出的曲线图，曲线图中横坐标代表路径长度，纵坐标代表路径上的正应变值，其中10e-6=1με=10-6mm/mm。
路径1~4上各布置一个应变片，共四个应变片组成桥路用于测量弯矩+Mz，路径1和3上的两个应变片测量拉应变，路径2和4上的两个应变片测量压应变，组成惠斯通全桥电桥，桥路应变输出400~800με(微应变)。路径5~8上各布置一个应变片，共四个应变片组桥用于测量横向力Fx，当Fx为正时，路径5和7上的两个应变片测量拉应变，路径6和8上的两个应变片测量压应变，组成惠斯通电桥，桥路应变输出从曲线图中可看出在0.4με范围内波动，也即是小于0.4με，测量力Fx桥路输出0.4με除以测量弯矩Mz桥路的输出400~800με，也即是因测量弯矩引起测量横向力的桥路输出的维间耦合大约为0.4με/(400~800με)≈0.05%~0.1%F.S（传感器的指标相对于传感器满量程误差的百分数）；估算维间耦合小于0.1%，可以看出弹性支链具有较大的扭转变形，可以显著降低或消除弯矩对横向力桥路测量电压的信号输出。
本发明虽然只列出来了四个弹性支链，但三个弹性支链（参见图16）或者八个弹性支链（参见图17）使用本结构通过合理排布，合理布片，同样可以实现力与力矩信号的解耦，也属于本专利的保护范围。所述的弹性支链为三个、圆孔也为三个，所述固定台为圆筒形。
Claims (10)
1.一种机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：该传感器包括弹性结构体和应变片组；
所述弹性结构体包括位于外圈的固定台、与固定台同轴线布置的圆筒形的加载台、连接在固定台和加载台之间的若干个沿加载台圆周均布的相同弹性支链，固定台和加载台在厚度方向同中心面布置，弹性支链长度方向的中心线布置在该中心面上；
每个弹性支链以加载台竖向轴线为中心沿径向呈辐条状布置，弹性支链包括横截面为矩形的弹性梁体、圆形板体和若干个浮动梁体，弹性梁体里端与加载台外侧圆柱面固定连接，圆形板体同轴心地连接在弹性梁体外端，若干个浮动梁体呈辐条状均布在圆形板体周围，每个浮动梁体沿圆形板体的直径方向布置；在固定台上与弹性梁体对应位置设有横向贯穿固定台的圆孔，圆孔与圆形板体同轴线布置，浮动梁体的两端固定连接在圆孔内圆柱面和圆形板体的外圆柱面之间。
2.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述固定台、加载台、以及弹性支链的弹性梁体、圆形板体、浮动梁体均为一体成形结构。
3.根据权利要求2所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：加载台上设有沿圆周均布并贯穿上下端面的安装通孔，该安装通孔位于加载台内外圆柱侧面的中间位置，加载台外圆柱面设有同弹性支链数量相同的外缘凸台，外缘凸台和弹性梁体内端固定连接，且外缘凸台前端面与弹性梁体长度方向的中心线垂直。
4.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：弹性梁体为实心结构，沿弹性梁体长度方向截面形状保持不变；所有弹性梁体长度方向的中心线位于加载台厚度方向同中心面上，并相交于加载台中心轴线上。
5.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述圆形板体覆盖弹性梁体外端面，所有浮动梁体的结构相同，浮动梁体宽度与圆形板厚度相等，圆形板体厚度d，圆孔长度L， 1/6L≤d≤1/3L，圆形板体的直径为圆孔之间的1/3到1/2之间。
6.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述若干浮动梁体除与圆形板和圆孔连接的两端外，其余部分为矩形横截面；浮动梁体的个数4n个，n为正整数；其中有两个浮动梁体的长度方向中心线与上述所有弹性梁体的长度方向中心线位于同一平面内。
7.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述若干浮动梁体和圆形板内侧面与所述固定台内侧平面共面。
8.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述的弹性支链为四个、圆孔也为四个，所述固定台为方形框，圆孔位于每个框的中部，固定台四角内外侧面均通过圆角过渡，固定台四角的横向宽度大于框的宽度。
9.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述的弹性支链为三个、圆孔也为三个，所述固定台为圆筒形。
10.根据权利要求1所述的机械解耦型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述的弹性支链为八个、圆孔也为八个，所述固定台为圆筒形。
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- 2021-06-22 CN CN202110688985.1A patent/CN113375852B/zh active Active
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Application publication date: 20210910 Assignee: BENSV VALVE STOCK Co.,Ltd. Assignor: NORTH CHINA University OF WATER RESOURCES AND ELECTRIC POWER Contract record no.: X2024120000043 Denomination of invention: A mechanically decoupled six dimensional force and torque sensor Granted publication date: 20221227 License type: Common License Record date: 20240412 |
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