CN114323394A - 一种六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体为一种六维力传感器，主要用于使六个维度的量程更为均衡，提高检测精度。本发明包括弹性体，所述弹性体包括设于***的固定外壳、设于中心的加载平台、均匀连接在所述固定外壳与加载平台中间的多根弹性梁，所述弹性梁上粘贴有应变片，所述弹性梁的刚度与该弹性梁正交方向所对应维度的量程相匹配。本发明中，通过设计弹性梁刚度与该弹性梁正交方向所对应维度的量程相匹配，只需要改变某一个或者多个弹性梁的刚度，就可使得传感器满足对应维度的量程需求。本申请中的多根弹性梁的尺寸可以是不一样的，为其正交方向所对应维度的量程需求“量身打造”。能够使得六维传感器各个维度的量程更为均衡，便于提高检测精度。

Description

一种六维力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体为一种六维力传感器，主要用于使六个维度的量程更为均衡，提高检测精度。

背景技术

随着机器人在工业自动化领域的广泛应用，对力控尤其是多维力力控传感器的使用越来越广泛，在某些有***风险的工序和流程上，机器人替代人工的需求也越发迫切。

公开号为CN106768522A的专利公开了一种六维力传感器弹性体，包括中心台、径向梁、周向梁和周向支撑；所述径向梁均匀分布在中心台的周边，径向梁的一端与中心台的周边固联，另一端与周向梁呈“T”型连接，所述周向梁为“T”型的顶部横担，径向梁为“T”型的竖杆段；在所述径向梁上设有通孔，使应力集中于通孔两侧；所述周向梁和周向支撑均匀分布在中心台的***；并且周向梁与周向支撑一一间隔设置，周向支撑的两端分别与相邻的两个周向梁的端部固定连接，使所述周向梁和周向支撑连接呈环状体；令：所述中心台以及由周向梁和周向支撑连接成的环状体呈水平状态。

该专利中周向梁与径向梁之间的“T”型设置获得了良好的刚度，有效提高了传感器结构的动态性能。但是，在多维力传感器的应用上，多个维度的量程要求往往是不同的，“T”型梁的结构固定不变，容易出现某一维度变形较小而使得传感器的精度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六维力传感器，主要用于使六个维度的量程更为均衡，提高检测精度。

本申请为了解决上述技术问题，提供了一种六维力传感器，包括弹性体，所述弹性体包括设于***的固定外壳、设于中心的加载平台、均匀连接在所述固定外壳与加载平台中间的多根弹性梁，所述弹性梁上粘贴有应变片，所述弹性梁的刚度与该弹性梁正交方向所对应维度的量程相匹配。

本申请中，传感器加载平台与固定外壳之间通过多个弹性梁连接，根据受力方向，弹性梁形变方向与受力方向垂直，因而，本申请中通过设计弹性梁刚度与该弹性梁正交方向所对应维度的量程相匹配，只需要改变某一个或者多个弹性梁的刚度，就可使得传感器满足对应维度的量程需求。本申请中的多根弹性梁的尺寸可以是不一样的，为其正交方向所对应维度的量程需求“量身打造”。能够使得六维传感器各个维度的量程更为均衡，便于提高检测精度。

作为优选，所述弹性梁为T型梁，包括与所述固定外壳连接的头部、与所述加载平台连接的主梁体，所述头部的尺寸与所在弹性梁主正交方向所对应维度的量程相匹配。

作为优选，所述弹性梁设有四根，呈十字型分布在所述加载平台和固定外壳之间，使得相邻两弹性梁之间相互垂直。

作为优选，传感器X方向的弹性梁头部尺寸，与Y方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配。

作为优选，传感器X方向的弹性梁头部的长度与Y方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

作为优选，传感器X方向的弹性梁头部的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

作为优选，传感器Y方向的弹性梁头部尺寸，与X方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配。

作为优选，传感器Y方向的弹性梁头部的宽度与X方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

作为优选，传感器Y方向的弹性梁头部的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

作为优选，所述传感器还包括电路板，所述电路板上设计有防爆电路。

本发明具有如下技术效果：

1.弹性梁为T型梁，包括头部与主梁体，本申请中通过设计弹性梁头部的尺寸与所在弹性梁主正交方向所对应维度的量程相匹配，头部尺寸越小，所在弹性梁的刚度越小，变形量越大，灵敏度越高，量程越大。与整个弹性梁相比，设计时与其他弹性梁的差异性仅仅体现在头部，而弹性梁头部的尺寸较小，使得传感器的制造更为省时省力。

2.六维传感器测量的六个维度的力分别为X、Y、Z方向的力与力矩，对应与X、Y、Z三个方向相互垂直的关系，本申请中弹性梁设有四根，呈十字型分布在加载平台和固定外壳之间，使得相邻两弹性梁之间相互垂直，分别为在X方向上分布的两根弹性梁和在Y方向分布的两根弹性梁，与X、Y、Z三个方向相互垂直的关系对应，在某一维度的量程时，对应调节在该维度正交方向上设置弹性梁的尺寸，便于针对某一维度量程的调节，简化调节过程。

3.传感器X方向的弹性梁头部尺寸，与Y方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配，即通过调节X方向的T型梁头部尺寸，可实现Y方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程调节。

4.传感器Y方向的力和力矩的量程需要增大时，只需要调节X方向弹性梁头部的长度即可实现，调节方式简单易实现。

5.传感器X方向的力和力矩的量程需要增大时，只需要调节Y方向弹性梁头部的长度即可实现，调节方式简单易实现。

6.传感器Y方向的弹性梁头部的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配；传感器Y方向的弹性梁头部的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。即，传感器Z方向的力和力矩的量程需要增大时，只需要调节X方向和Y方向弹性梁头部的厚度即可实现，调节方式简单易实现。

7.传感器还包括电路板，电路板上设计有防爆电路，通过限流设计，防止电路板上电路因电流过大而损坏，保证传感器正常工作。

附图说明

图1是传感器整体结构图。

图2是加载盖板结构图。

图3是弹性体结构图。

图4是电路板示意图。

其中，1-弹性体；1-1-固定外壳；1-2-加载平台；1-3-弹性梁；1-31-头部；1-32-主梁体；1-4-电路板；1-41-滤波电路；1-42-采集模块；1-43-处理模块；1-44-通讯模块；1-45-对外接口；1-46-电源模块；2-加载盖板；3-密封槽；4-底板。

具体实施方式

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。

本实施例提供了一种六维力传感器，包括弹性体1，所述弹性体1包括设于***的固定外壳1-1、设于中心的加载平台1-2、均匀连接在所述固定外壳1-1与加载平台1-2中间的多根弹性梁1-3，所述弹性梁1-3上粘贴有应变片，所述弹性梁1-3的刚度与该弹性梁1-3正交方向所对应维度的量程相匹配。

一般六维传感器六个维度的量程需求往往是不同的，本实施例中针对六维传感器不同维度量程不同的需求，采用改变弹性梁1-3的灵敏度，实现改变该弹性梁1-3正交方向所对应维度的量程，进而使得传感器六个维度的量程更为均衡，进而提高传感器的检测精度。

本实施例中，所述弹性梁1-3为T型梁，包括与所述固定外壳1-1连接的头部1-31、与所述加载平台1-2连接的主梁体1-32，所述头部1-31的尺寸与所在弹性梁1-3主正交方向所对应维度的量程相匹配。头部1-31与主梁体1-32垂直，且头部1-31的尺寸远远小于主梁体1-32的尺寸，本实施例中通过设计弹性件头部1-31的尺寸实现所在弹性梁1-3正交方向所对应维度的量程，较改变整个弹性梁1-3的尺寸或改变主梁体1-32的尺寸而言，仅仅改变头部1-31尺寸的方式使得多根弹性梁1-3之间仅仅在头部1-31的尺寸有所不同，便于设计、制造。

六维传感器测量力的六个维度分别为X方向上的力和力矩、Y方向上的力和力矩、Z方向上的力和力矩，X方向、Y方向、Z方向两两垂直，以传感器上下方向为Z方向，多根弹性梁1-3均Z方向垂直。传感器受到X方向的力和力矩时，使得弹性梁1-3朝X方向变形，为了便于测量，Y方向上的弹性梁1-3形变量最大，也更易于X方向力和力矩的测量。基于上述受力的情况，本实施例中，所述弹性梁1-3设有四根，呈十字型分布在所述加载平台1-2和固定外壳1-1之间，使得相邻两弹性梁1-3之间相互垂直。四根弹性梁1-3的受力分析为：在测量X方向的力和力矩时，则X方向的正交方向上的弹性梁1-3为主应变梁（即Y方向上的两根弹性梁1-3）；在测量Y方向的力时，则Y方向的正交方向上的弹性梁1-3为主应变梁（即X方向上的两根弹性梁1-3）；在测量Z方向的力和力矩时，则Z方向的正交方向上的弹性梁1-3为主应变梁（即X方向与Y方向上的四个弹性梁1-3）。

根据上述受力分析，本实施例中，传感器X方向的弹性梁头部1-31尺寸，与Y方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配。即X方向的弹性梁头部1-31尺寸大小决定Y方向上力与力矩的量程、Z方向上力与力矩的量程。其中，传感器X方向的弹性梁头部1-31的长度与Y方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。传感器X方向的弹性梁头部1-31的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。即对于X方向上的弹性梁1-3而言，通过改变其头部1-31的长度的实现改变Y方向对应的力和力矩的量程；通过改变其头部1-31的厚度实现改变Z方向对应的力和力矩的量程。

同理，本实施例中，传感器Y方向的弹性梁头部1-31尺寸，与X方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配。即Y方向的弹性梁头部1-31尺寸大小决定Z方向上力与力矩的量程、Z方向上力与力矩的量程。其中，传感器Y方向的弹性梁头部1-31的宽度与X方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。传感器Y方向的弹性梁头部1-31的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。即对于Y方向上的弹性梁1-3而言，通过改变其头部1-31的长度的实现改变X方向对应的力和力矩的量程；通过改变其头部1-31的厚度实现改变Z方向对应的力和力矩的量程。

综合上述，通过改变X方向上弹性梁头部1-31的长度调整Y方向上的力与力矩的量程；通过改变Y方向上弹性梁头部1-31的长度调整X方向上的力与力矩的量程；通过同时改变X方向上弹性梁头部1-31的厚度及Y方向上弹性梁头部1-31的厚度，调整Z方向上的力与力矩的量程。

本实施例中，所述四个弹性梁1-3上均设有应变片，组成惠斯顿电桥。除此之外，本实施例中，所述传感器还包括电路板1-4，所述电路板1-4上设计有防爆电路。电路板1-4固定连接在所述加载平台1-2的底部。电路板1-4上设有电极，与应变片连接，用于测量应变片的电阻变化，受力变形时，应变片的电阻发生变化，惠斯顿电桥的平衡被打破，输出电压，进而实现力的检测。本实施例中，弹性梁1-3变形时由加载平台1-2受力发生位移导致的，因而电路板1-4固定在加载平台1-2的底部，可使得电路板1-4与弹性梁1-3的位置相对稳定，电路板1-4与弹性梁1-3上应变片通过电缆线连接的结构相对稳定。防爆电路的设计，具体的：所述电路板1-4上设有与所述应变片连通的滤波电路1-41、采集模块1-42、处理模块1-43、通讯模块1-44，以及用于给以上模块供电的电源模块1-46；所述电源模块1-46设有限流电阻，用以防止电压过大。电源模块1-46为整个传感器的正常工作提供电源，限流电阻的设计则满足传感器在多种防爆场景的需求。本实施例中传感器中通过24V供电，电流先通过限流电阻，再为滤波电路1-41、采集模块1-42、处理模块1-43、通讯模块1-44供电，使得滤波电路1-41、采集模块1-42、处理模块1-43、通讯模块1-44中任一或全部故障，传感器整体也不会出现超过安全限制的故障点出现。同时，所述弹性体1上还设有用于与外部设备连接的通讯接口，所述通讯接口与所述通讯模块1-44连通；所述电路板1-4上设有连接在所述通讯模块1-44与所述通讯接口之间的限流电阻。防止传感器输出故障。除此之外，所述电路板1-4通过安全栅与外部设备之间设有安全栅，用于在电压过大时切断电源。即使传感器防护全部失效（限流电阻短路），出现过流情况，安全栅也能起到最后的防护作用，通过切断传感器供电完成故障隔离和停止。本实施例中，滤波电路1-41主要用于调谐，即将交流电转换成传感器电路板1-4上采集模块1-42、处理模块1-43、通讯模块1-44可直接使用的直流电。其中，滤波电路1-41包括滤波电容和滤波电感，滤波电容和滤波电感均严格按照本安型设备防爆要求进行配置。本实施例中，电路板1-4的工作过程为；采集模块1-42与应变片连接，用于检测应变片的电阻，将检测到的数据发送至处理模块1-43，处理模块1-43通过对检测到的各应变片上电阻数据，进行计算、处理，将结果以电信号的方式发送至通讯模块1-44，通讯模块1-44与对外接口1-45连接，将电信号发送至外部设备（客户端）。

本实施例中，所述传感器还包括设于所述弹性体1上端的加载盖板2，所述加载盖板2与所述弹性体1之间设有用于将传感器内密封起来的密封圈。加载盖板2与弹性体1的加载平台1-2通过螺栓连接，其中加载盖板2的直径与弹性体1固定外壳1-1的直径一致，加载盖板2与弹性体1之间设有的密封圈可保证设于传感器内的电路板1-4不受外面下雨等环境的影响。其中，为了便于密封圈设置在加载盖板2与弹性体1之间时结构的稳定性，所述加载盖板2与所述固定外壳1-1彼此相对的一面均设有密封槽3；所述密封圈上下两端分别设于所述加载盖板2与所述固定外壳1-1上的密封槽3内。在安装时，可将密封圈的置入加载盖板2或固定外壳1-1上任一密封槽3内，再将加载盖板2与弹性体1连接起来，密封圈的另一端即可与另一密封槽3嵌合，实现加载盖板2与弹性体1之间的密封连接。本实施例中还包括设于弹性体1下端的底板4，上端的加载盖板2与下端的底板4同时将弹性体1上下两端密封，使得弹性体1内部形成一个不受外部环境影响的密闭空间。

虽然描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种六维力传感器，包括弹性体，所述弹性体包括设于***的固定外壳、设于中心的加载平台、均匀连接在所述固定外壳与加载平台中间的多根弹性梁，所述弹性梁上粘贴有应变片，其特征在于：

所述弹性梁的刚度与该弹性梁正交方向所对应维度的量程相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：

所述弹性梁为T型梁，包括与所述固定外壳连接的头部、与所述加载平台连接的主梁体，所述头部的尺寸与所在弹性梁主正交方向所对应维度的量程相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种六维力传感器，其特征在于：

所述弹性梁设有四根，呈十字型分布在所述加载平台和固定外壳之间，使得相邻两弹性梁之间相互垂直。

4.根据权利要求3所述的一种六维力传感器，其特征在于：

传感器X方向的弹性梁头部尺寸，与Y方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配。

5.根据权利要求4所述的一种六维力传感器，其特征在于：

传感器X方向的弹性梁头部的长度与Y方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

6.根据权利要求4所述的一种六维力传感器，其特征在于：

传感器X方向的弹性梁头部的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

7.根据权利要求3所述的一种六维力传感器，其特征在于：

传感器Y方向的弹性梁头部尺寸，与X方向和Z方向分别对应的力、力矩的量程需求相匹配。

8.根据权利要求7所述的一种六维力传感器，其特征在于：

传感器Y方向的弹性梁头部的宽度与X方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

9.根据权利要求7所述的一种六维力传感器，其特征在于：

传感器Y方向的弹性梁头部的厚度与Z方向对应的力和力矩的量程需求相匹配。

10.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：

所述传感器还包括电路板，所述电路板上设计有防爆电路。

Images