CN114018462B - 一种力传感器及智能设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种力传感器及智能设备，涉及传感器技术领域，解决了力传感器重量大的技术问题。该弹性体结构包括加载端、固定端、变形段和应力集中部，变形段为中空结构，供待测物穿过；变形段通过位于其两端的应力集中部分别与加载端和固定端连接；力传感器，包括壳体、端盖、底盖、力感应组件和弹性体结构，弹性体结构布置在壳体内，端盖和底盖分别固定在壳体两端，力感应组件一端安装在弹性体结构上，另一端安装在壳体上；智能设备包括力传感器。本发明具有重量轻、刚度大、工艺性优良、承载强度高的特点。

Description

一种力传感器及智能设备

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种力传感器及智能设备。

背景技术

六维力传感器在智能化机器人的应用中越来越广泛。当前小型机器人的市场占比越来越大，主要是电子元器件等轻质微小元件的装配正逐步由机器代替人力，对末端六维力传感器的重量控制要求也越来越高。

现有六维力传感器的弹性体结构一般为实心结构，使目前的六维力传感器很难实现微小型化，也使得传感器的重量大幅增加，当前市场上的传感器重量至少在0.5kg以上，以5kg机器人为例占比机器人量程的10％，难以适用于小型机器人的力控应用。

因此亟需研发一种轻量化的六维力传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力传感器及智能设备，以解决现有技术中存在的力传感器重量大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种弹性体结构，包括加载端、固定端、变形段和应力集中部，所述变形段为中空结构，供待测物穿过；所述变形段通过位于其两端的所述应力集中部分别与所述加载端和所述固定端连接。

作为本发明的进一步改进，所述变形段为中间细两端粗的弧形筒体结构。

作为本发明的进一步改进，所述变形段沿轴向的剖面形状为抛物线形状。

作为本发明的进一步改进，所述变形段为薄壁结构。

作为本发明的进一步改进，所述应力集中部为沿所述变形段周向设置的多个爪臂。

作为本发明的进一步改进，所述爪臂为弧形曲面结构。

作为本发明的进一步改进，所述加载端和所述固定端均为圆环形结构，所述应力集中部分别连接在所述加载端内壁和所述固定端内壁上。

本发明提供的一种力传感器，包括壳体、端盖、底盖、力感应组件和所述弹性体结构，所述弹性体结构布置在所述壳体内，所述端盖和所述底盖分别固定在所述壳体两端，所述力感应组件一端安装在所述弹性体结构上，另一端安装在所述壳体上。

作为本发明的进一步改进，所述端盖为中空法兰结构，一端与紧固负载连接，另一端贴合在所述壳体上并与所述弹性体结构连接。

作为本发明的进一步改进，所述端盖朝向所述壳体一侧还设置有凸台。

作为本发明的进一步改进，所述端盖远离所述壳体一侧设置有定位沉台。

作为本发明的进一步改进，所述端盖还包括中空形立柱，所述立柱一端连接在所述端盖中间孔处，另一端穿过所述弹性体结构后延伸到所述底盖下端。

作为本发明的进一步改进，所述加载端上设置有第一台阶，所述固定端上设置有第二台阶；所述壳体顶部内壁上设置有内圆轴肩，所述内圆轴肩与所述第一台阶紧配合连接；所述壳体底部与所述第二台阶紧配合连接。

作为本发明的进一步改进，所述底盖为中空法兰结构，所述固定端内壁上设置有内凸圆环，所述底盖粘结在所述内凸圆环上。

作为本发明的进一步改进，所述底盖还包括设置在其中间孔处的空心圆柱，所述空心圆柱内径大于所述立柱外径。

作为本发明的进一步改进，所述力感应组件包括应变片和连接器，所述应变片粘贴在所述应力集中部上，所述连接器安装在所述壳体上，所述应变片和所述连接器之间电性连接。

作为本发明的进一步改进，所述力传感器为六维力传感器。

本发明提供的一种智能设备，包括所述力传感器。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的弹性体结构，通过采用中空结构的变形段，使包含其的六维力传感器具有重量轻的特点，通过将变形段采用中间细两端粗的弧形筒体结构，使六维力传感器具有刚度大、工艺性优良等特点，变形段的薄壁壳体结构不仅满足轻质的应用需求，同时具有极大的承载能力；而且薄壳结构不仅在相等体积下大幅度减轻了弹性体质量，而且根据应力＝弯矩/抗弯截面系数，壁厚减小使抗弯截面系数减小，使得应力强度大幅度增大，传感器因此具有更高的承载强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明力传感器的立体结构水意图；

图2是本发明力传感器的局部剖切图；

图3是本发明力传感器的***结构示意图；

图4是本发明力传感器标定示意图。

图中1、加载端；11、第一台阶；2、固定端；21、第二台阶；3、变形段；4、爪臂；5、壳体；6、端盖；7、底盖；8、力感应组件；81、应变片；82、连接器；9、凸台；10、定位沉台；100、立柱；101、内圆轴肩；102、内凸圆环；103、圆柱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图3所示，本发明提供了一种弹性体结构，包括加载端1、固定端2、变形段3和应力集中部，加载端1用于与紧固负载连接，应力集中部用于将紧固负载传递来的应力集中，并将力感应组件安装在应力集中部上，以此感应紧固负载传递来的力并进行输出，从而进行力传递，实现力传感器功能，变形段3为中空结构，供待测物穿过，通过将变形段3设置成中空结构，不仅大大减轻弹性体结构的重量，从而减轻力传感器重量，而且还可以通过中空部分穿入待测物，从而进行轴形物体的力传感测量，大大丰富力传感气的适用范围；变形段3通过位于其两端的应力集中部分别与加载端1和固定端2连接。

作为本发明的一种可选实施方式，变形段3为中间细两端粗的弧形筒体结构，类似于腰鼓形。

更进一步的，变形段3沿轴向的剖面形状为抛物线形状。

作为本发明的一种可选实施方式，变形段3为薄壁结构，此处需要说明的是，薄壁是指厚度远小于长度和宽度，在本实施例中，厚度不大于1mm。

进一步的，应力集中部为沿变形段3周向设置的多个爪臂4。

更进一步的，爪臂4为弧形曲面结构，在此需要说明的是，爪臂4的弯曲方向与变形段3末端的弯曲方向相同。

加载端1和固定端2均为圆环形结构，应力集中部分别连接在加载端1内壁和固定端2内壁上，加载端1上设置有第一台阶11，固定端2上设置有第二台阶21。需要说明的是，第一台阶11是沿着加载端1圆周方向设置的，通过形成台阶结构不仅方便与外壳限位式连接，而且还具有防尘作用；第二台阶21沿固定端2圆周方向设置，通过形成台阶结构方便与外壳形成限位式连接。

进一步的，在加载端1顶部还设置有连接孔，通过该连接孔穿设螺栓与端盖连接。

如图1和图2所示，本发明提供的一种力传感器，包括壳体5、端盖6、底盖7、力感应组件8和弹性体结构，弹性体结构布置在壳体5内，端盖6和底盖7分别固定在壳体5两端，力感应组件8一端安装在弹性体结构上，另一端安装在壳体5上。弹性体结构用于感知被测物理量。

端盖6为中空法兰结构，内部具有通孔，端盖6一端与紧固负载连接，另一端贴合在壳体5上并与弹性体结构连接，具体的，端盖6另一端与弹性体结构中的加载端1连接，端盖6上设置8个螺纹孔，用于与紧固负载连接，端盖6上还设置8个沉孔，该沉孔为通孔，8个沉孔与8个螺栓孔依次交替设置，8个沉孔用于与加载端1连接。端盖6中间的通孔规格与变形段3中心最窄处规格相适配。

进一步的，端盖6朝向壳体5一侧还设置有凸台9。在此需要说明的是，凸台9位于沉孔或螺纹孔处，凸台9可以为分段结构，也可以沿端盖6圆周方向呈环形设置，通过设置凸起的凸台9是为了避免端盖6在盖合到壳体5顶部时，二者接触；凸台9高度为1-2mm。

为了实现装配定位，更有利于对中限位，端盖6远离壳体5一侧设置有定位沉台10，通过设置定位沉台10，从加工工艺角度来看，沉台利于提高安装表面的平面度。

进一步的，端盖6还包括中空形立柱100，中空立柱100用于轴形待测物的穿过，立柱100一端连接在端盖6中间通孔处，另一端穿过弹性体结构后延伸到底盖7下端。在此需要说明的是，立柱100外径等于或小于变形段3中空结构最窄处直径，由于变形段3为对称结构，故该最窄处也是变形段3高度方向的中心位置。

作为本发明的进一步改进，壳体5顶部内壁上设置有内圆轴肩101，内圆轴肩101与第一台阶11紧配合连接；壳体5底部与第二台阶21紧配合连接。

进一步的，底盖7为中空法兰结构，中间具有通孔，固定端2内壁上设置有内凸圆环102，安装后，底盖7粘结在内凸圆环102上。

进一步的，底盖7还包括设置在其中间孔处的空心圆柱103，空心圆柱103内径大于立柱100外径，使得安装后，圆柱103包覆在立柱100外侧，实现立柱100末端的径向限位。

力感应组件包括应变片81和连接器82，应变片81粘贴在应力集中部上，连接器82安装在壳体5上，应变片81和连接器82之间电性连接。

更进一步的，在本实施例中，力传感器为六维力传感器。

实施例1：

一种六维力传感器，由端盖6、壳体5、连接器82、弹性体结构、底盖7和应变片81组成；端盖6为圆形法兰结构，中心中空，端盖6上设置有定位沉台10，用于提升法兰装配工艺性；还设置有均布的8个螺纹孔，用于连接紧固负载；还设置有均布的8个沉孔，用于与弹性体结构连接；端盖6另一侧边缘设置有凸台9，高度为1-2mm，用于避免端盖6和壳体5接触，螺纹孔和沉孔均在凸台9范围内；在端盖6另一侧中心设置有立柱100，内部中空贯穿整个法兰结构，目的是使一些轴类被测物可以穿过传感器，仅使轴肩端面与传感器检测面相连，扩大传感器的适用范围，同时使端盖6的形心尽可能的靠近弹性体结构的形心，利于提升传感器标定的准确性；此处所指的端盖6的形心，设置端盖6和立柱100组成的结构体的形心，立柱100与端盖6一体成型设置。弹性体结构也是一体成型结构。

壳体5为薄壁圆柱结构，一端设置有内圆轴肩101，用于防止杂物尘土进入传感器内部；侧壁上设置有通孔，用于连接器82贯穿安装；

弹性体结构呈圆形瓶颈弧面状，上部为加载端1，设置有第一台阶11，台阶面用于避让壳体5的内圆轴肩101，同时可以防止杂物尘土进入传感器内部；其上设置有螺纹孔，用于与端盖6连接紧固；弹性体结构中部为变形段3，为环形薄壁曲面结构，其剖截面形状曲线为抛物线，在变形段3两端分别设置有均布的4个爪臂4，用于将弹性体结构产生的应力集中于爪臂4的爪面上，提高传感器灵敏度；下部为固定端2，设置有第二台阶21，台阶面用于装配壳体5，在内侧壁上设置有内凸圆环102；

底盖7为法兰结构，底盖7中部设置有空心圆柱103，其空心直径大于立柱100的外径。

端盖6的沉孔和弹性体结构中加载端1的螺纹孔通过螺钉连接紧固；壳体5内侧与弹性体结构上第一台阶11的台阶侧面冷压过盈连接；连接器82穿过壳体5上的通孔自锁紧安装，同时通过线缆与应变片81连接实现信号传输；应变片81分别粘贴在弹性体结构的爪臂4的上下两弧面；底盖7粘接在弹性体结构的内凸圆环102上，实现防尘防杂物等。

传感器使用时，首先使用螺钉固定底盖7，然后在端盖6上放置被测部件，连接好后给传感器供电，被测部件受力将通过端盖6传递到弹性体结构上，再由于薄壁曲面结构将应力集中于爪臂4上，进而通过应变片81感知到应变信号，然后通过应变片81组成的惠斯通电桥将信号变化量输出；在此过程中，供电和信号输出均通过连接器传递。

本发明中六维力传感器标定方法为，如图4所示，传感器置于两个均质平板之间，两平板通过伸缩杆连接，伸缩杆与平板间夹角为θ，在施加X方向拉力时，伸缩杆a和伸缩杆d扩张，伸缩杆b和伸缩杆c收缩，保证在竖直方向的合力为零，则水平方向仅产生Fx方向的力；同理，伸缩杆a、伸缩杆b、伸缩杆c和伸缩杆d同时扩张，保证水平方向的合力为零，则仅产生Fz方向的力。其它方向原理一样不再进行过多描述，通过调节伸缩杆的扩张和收缩状态，平衡掉非加载方向的载荷，即可得到稳定的加载力。同时采集各加载下的电压输出，按以下标定算法计算灵敏度系数K，再输入控制器处理实现传感器检测功能。

Fx为X方向加载力；Fy为Y方向加载力；Fz为Z方向加载力；Mx为X方向加载力矩；My为Y方向加载力矩；Mz为Z方向加载力矩；U1～U4分别为电桥输出电压；K为常数。

本发明还提供了一种智能设备，包括上述的力传感器。

本发明提供的弹性体结构，通过采用中空结构的变形段，使包含其的六维力传感器具有重量轻的特点，通过将变形段采用中间细两端粗的弧形筒体结构，使六维力传感器具有刚度大、工艺性优良等特点，变形段的薄壁壳体结构不仅满足轻质的应用需求，同时具有极大的承载能力；而且薄壳结构不仅在相等体积下大幅度减轻了弹性体质量，而且根据应力＝弯矩/抗弯截面系数，壁厚减小使抗弯截面系数减小，使得应力强度大幅度增大，传感器因此具有更高的承载强度。

这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外”是远离容置空间中央的方向。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种力传感器，其特征在于，包括壳体、端盖、底盖、力感应组件和弹性体结构，所述弹性体结构布置在所述壳体内，所述端盖和所述底盖分别固定在所述壳体两端，所述力感应组件一端安装在所述弹性体结构上，另一端安装在所述壳体上；所述弹性体结构包括加载端、固定端、变形段和应力集中部，所述变形段为中空结构，供待测物穿过；所述变形段通过位于其两端的所述应力集中部分别与所述加载端和所述固定端连接；所述端盖为中空法兰结构，一端与紧固负载连接，另一端贴合在所述壳体上并与所述弹性体结构连接；所述端盖还包括中空形立柱，所述立柱一端连接在所述端盖中间孔处，另一端穿过所述弹性体结构后延伸到所述底盖下端；所述底盖为中空法兰结构，所述固定端内壁上设置有内凸圆环，所述底盖粘结在所述内凸圆环上。

2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述端盖朝向所述壳体一侧还设置有凸台。

3.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述端盖远离所述壳体一侧设置有定位沉台。

4.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述加载端上设置有第一台阶，所述固定端上设置有第二台阶，所述壳体顶部内壁上设置有内圆轴肩，所述内圆轴肩与所述第一台阶紧配合连接；所述壳体底部与所述第二台阶紧配合连接。

5.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述底盖还包括设置在其中间孔处的空心圆柱，所述空心圆柱内径大于所述立柱外径。

6.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述力感应组件包括应变片和连接器，所述应变片粘贴在所述应力集中部上，所述连接器安装在所述壳体上，所述应变片和所述连接器之间电性连接。

7.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器为六维力传感器。

8.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述变形段为中间细两端粗的弧形筒体结构。

9.根据权利要求8所述的力传感器，其特征在于，所述变形段沿轴向的剖面形状为抛物线形状。

10.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述变形段为薄壁结构。

11.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述应力集中部为沿所述变形段周向设置的多个爪臂。

12.根据权利要求11所述的力传感器，其特征在于，所述爪臂为弧形曲面结构。

13.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述加载端和所述固定端均为圆环形结构，所述应力集中部分别连接在所述加载端内壁和所述固定端内壁上。

14.一种智能设备，其特征在于，包括如权利要求1-13中任一所述的力传感器。

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