CN116698260A - 一种立体式六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体式六维力传感器，该六维力传感器包括：内球芯；内球芯上开设有用于安装待测力组件的第一安装孔；自内球芯相交延展而出且避让第一安装孔的三轴六根弹性梁；以及外接于弹性梁之外的外壳体；其中，各个弹性梁上根据惠更斯电桥贴布有应变片，应变片用于感应对应的弹性梁在三维直角坐标系中某个维度的形变程度并组成测量电桥输出受力数据或力矩数据。本发明可以使六维力传感器从结构上实现空间对称，保证测量时各个弹性梁保持各向同性，进而提高测量精度。

Description

一种立体式六维力传感器

技术领域

本发明涉及力传感器领域，特别是涉及一种立体式六维力传感器。

背景技术

多维力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，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。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，可以作为精密装配、精密操作、精密控制以及人机交互控制的基础元件。同时，六维力传感器也是机器人完成接触性作业任务的保障，如空间探测技术、空间机械手力控制、工业机器人、水下机器人遥控操作等都需要大量程高精度六维力传感器。

目前大部分六维力传感器由于其结构很难真正实现较小的维间耦合，较好的各向同性，导致对力和力矩的测量不够精准。

发明内容

经申请人研究发现：市面上的大多数六维力传感器多为平面十字结构，总体结构只做到了在平面上对称，没有做到空间上的完全对称，因此不具备各向同性的特征，进而使得维间耦合较大，测量不精准。

有鉴于现有技术的上述的一部分缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种立体式六维力传感器，旨在从结构上实现空间对称，保证测量时各个弹性梁保持各向同性，进而提高测量精度。

为实现上述目的，本发明公开了一种立体式六维力传感器，所述六维力传感器包括：内球芯；所述内球芯上开设有用于安装待测力组件的第一安装孔；自所述内球芯相交延展而出且避让所述第一安装孔的三轴六根弹性梁；以及外接于所述弹性梁之外的外壳体；其中，各个所述弹性梁上根据惠更斯电桥贴布有应变片，所述应变片用于感应各个所述弹性梁的形变程度并组成测量电桥输出受力数据和/或力矩数据。

可选的，所述外壳体为三维对称结构且与所述内球芯共中心，所述第一安装孔等距设置于所述三轴六根弹性梁的中央。

可选的，所述外壳体为三个共圆心且互相垂直的环状壳体组成，所述环状壳体的圆心与所述内球芯的球心位置相同。

可选的，所述外壳体上开设有用于将所述外壳体进行固定的第二安装孔。

可选的，所述弹性梁为长方体柱状结构，所述弹性梁的各个侧面贴有所述应变片，相对的所述弹性梁在相同的相对侧面的所述应变片组成相对应维度的测量电桥，各个用于感应所述弹性梁形变程度的所述应变片共同组成多个所述测量电桥用于测量三个不同维度的所述受力数据和所述力矩数据。

可选的，所述内球芯表面设置多根第一防过载柱，所述外壳体内部设置多根与所述第一防过载柱相对应的第二防过载柱，所述第一防过载柱和所述第二防过载柱之间留有预设距离的间隙且二者为凹凸嵌合结构。

可选的，所述应变片有24个，对称贴布至在所述弹性梁上，四个不同预设位置的应变片组成一个所述测量电桥，所述测量电桥用于测量所述弹性梁承受对应维度的力或者力矩。

可选的，所述弹性梁在梁体上开设有形变腔，所述形变腔的四个侧面贴有所述应变片，两个相对的所述形变腔内在同一相对侧壁上设置的应变片组成对应维度的测量电桥，各个用于感应所述弹性梁形变程度的所述应变片共同组成多个所述测量电桥用于测量三个不同维度的所述受力数据和所述力矩数据。

本发明的有益效果：1、本发明的中心轴台（现有技术六维力传感器与待测力组件相连接的部件）采用内球芯，自内球芯相交延展而出且避让第一安装孔的三轴六根弹性梁。本发明的六根弹性梁在三个不同的维度均实现了对称结构，即，在立体上对称，同时用于连接弹性梁的内球芯也是球状，从而使二者结合的结构实现了空间方面的对称，保证弹性梁在测量时表现出较好的各向同性，降低了维间耦合，提高测量精度。

2、本发明的外壳体为三维对称结构且与内球芯共中心，第一安装孔等距设置于三轴六根弹性梁的中央。本发明通过外壳体的对称结构，使得各个弹性梁与外壳体连接处着力点实现了各向同性，降低了维间耦合，提高测量精度。同时，第一安装孔等距设置于三轴六根弹性梁的中央使得在待测力组件安装在第一安装孔进行测量时，保证测力组件对内球芯及弹性梁进行作用时，各向同性，降低维间耦合，提高测量精度。

3、本发明弹性梁为长方体柱状结构，弹性梁的各个侧面贴有应变片，相对的弹性梁在相同的相对侧面的应变片组成相对应维度的测量电桥，各个用于感应弹性梁形变程度的应变片共同组成多个测量电桥用于测量三个不同维度的受力数据和力矩数据。本发明的应变片贴布位置适配于本发明对应六维力传感器的立体对称结构，使得测量更加精准。

4、本发明内球芯表面设置多根第一防过载柱，外壳体内部设置多根与第一防过载柱相对应的第二防过载柱，第一防过载柱和第二防过载柱之间留有预设距离的间隙且二者为凹凸嵌合结构。本发明通过设置第一防过载柱和第二防过载柱避免了超量程使用使得六维力传感器过载，造成了不可逆损伤。

5、本发明弹性梁在梁体上开设有形变腔，形变腔的四个侧面贴有应变片，两个相对的形变腔内在同一相对侧壁上设置的应变片组成对应维度的测量电桥，各个用于感应弹性梁形变程度的应变片共同组成多个测量电桥用于测量三个不同维度的受力数据和力矩数据。本发明通过形变腔设计，将应变片贴布在形变腔内，使得应变片对弹性梁形变检测更加敏感，从而提高测量精度。

综上，本发明通过使六维力传感器从结构上实现空间对称，保证测量时各个弹性梁保持各向同性，进而提高测量精度。

附图说明

图1是本发明一具体实施例提供的一种立体式六维力传感器的立体结构示意图；

图2是本发明一具体实施例提供的一种立体式六维力传感器的俯视图对应的结构示意图。

附图标记说明：内球芯-1、第一安装孔-2、弹性梁-3、外壳体-4、应变片-5、第二安装孔-6、第一防过载柱-7、第二防过载柱-8。

具体实施方式

本发明公开了一种立体式六维力传感器，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进技术细节实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

经申请人研究发现：市面上的大多数六维力传感器多为平面十字结构，总体结构只做到了在平面上对称，没有做到空间上的完全对称，因此不具备各向同性的特征，进而使得维间耦合较大，测量不精准。

因此，本发明实施例提供了一种立体式六维力传感器，如图1和图2所示，该六维力传感器包括：

内球芯1；内球芯1上开设有用于安装待测力组件的第一安装孔2；自内球芯1相交延展而出且避让第一安装孔2的三轴六根弹性梁3；以及外接于弹性梁3之外的外壳体4；其中，各个弹性梁3上根据惠更斯电桥贴布有应变片5，应变片5用于感应各个弹性梁3的形变程度并组成测量电桥输出受力数据和/或力矩数据。

图2实施例中，由于外壳体4和弹性梁3等宽，导致弹性梁3被外壳体4遮挡，仅示出贴布在弹性梁3上的应变片5。

需要说明的是，本发明实施例对应的三维直角坐标系的三轴与6根弹性梁3所在直线相同，原点为内球芯1的球心。本发明实施例的六维力传感器的结构可以图1和图2所示，呈立体对称，除第一安装孔2外，不管从俯视图、仰视图、左视图、右视图、前视图以及后视图对六维力传感器进行观察，其结构均可以如图2所示。这样的结构很好的保证了各向同性，从而减少维间耦合，提高测量精度。相较于现有技术，需要复杂算法减少维间耦合带来的影响，本发明实施例从根源上就可以大大减少维间耦合，从而可以简化算法。

在一具体实施例中，外壳体4为三维对称结构且与内球芯1共中心，第一安装孔2等距设置于三轴六根弹性梁3的中央。

需要说明的是，本实施例在内球芯1和弹性梁3立体对称的基础上，使得外壳体4也为三维对称结构且与内球芯1共中心，进而使得六维力传感器整体立体对称，进一步减少维间耦合，提高测量精度。同时，第一安装孔2等距设置于三轴六根弹性梁3的中央，即，第一安装孔2对应的中心线投影在三轴互相组成的平面与各轴均呈45°，通过这样可以在待测力组件安装在第一安装孔2进行测量时，保证测力组件对内球芯1及弹性梁3进行作用时，各向同性，降低维间耦合，提高测量精度。

进一步的，第一安装孔2为通孔，贯穿整个内球芯1。

更进一步的，第一安装孔2有多个，用于保证测力组件能够牢固固定。

在一具体实施例，如图1所示，外壳体4为三个共圆心且互相垂直的环状壳体组成，环状壳体的圆心与内球芯1的球心位置相同。

需要说明的是，该外壳体4结构可以留出空间便于测力组件的安装。

在一具体实施例中，外壳体4上开设有用于将外壳体4进行固定的第二安装孔6。

在实际应用场景中，第一安装孔2一般用于连接机械手的工具端（即，测力组件），第二安装孔6一般安装在机械手的固定端。工具端是用来接触目标物体（比如抓持）。

在一具体实施例中，弹性梁3为长方体柱状结构，弹性梁3的各个侧面贴有应变片5，相对的弹性梁3在相同的相对侧面的应变片5组成相对应维度的测量电桥，各个用于感应弹性梁3形变程度的应变片5共同组成多个测量电桥用于测量三个不同维度的受力数据和力矩数据。

需要说明的是，如图1所示，在一条直线上的两根弹性梁3，这两根弹性梁3在相同的相对侧面上的应变片5组成一个测量电桥。例如在X轴上的两根弹性梁3，这两根弹性梁3在Z轴上的两个侧面上的应变片5组成一个测量电桥。

在一具体实施例中，X轴对应弹性梁3的四个Y轴侧面对应应变片5组成的测量电桥可以用于测量Z轴方向的力矩；Y轴对应弹性梁3的四个Z轴侧面对应应变片5组成的测量电桥可以用于测量X轴方向的力矩；Z轴对应弹性梁3的四个X轴侧面对应应变片5组成的测量电桥可以用于测量Y轴方向的力矩。X轴对应弹性梁3的四个Z轴侧面对应应变片5组成的测量电桥可以用于测量Z轴方向的力；Y轴对应弹性梁3的四个X轴侧面对应应变片5组成的测量电桥可以用于测量X轴方向的力；Z轴对应弹性梁3的四个Y轴侧面对应应变片5组成的测量电桥可以用于测量Y轴方向的力矩。

在一具体实施例中，如图1和图2所示，内球芯1表面设置多根第一防过载柱7，外壳体4内部设置多根与第一防过载柱7相对应的第二防过载柱8，第一防过载柱7和第二防过载柱8之间留有预设距离的间隙且二者为凹凸嵌合结构。

进一步的，如图1和图2所示，第一防过载柱7和第二防过载柱8有多根且设置位置为以内球芯1为中心的三维对称结构。这样进一步地保证了各项同性。

需要说明的是，当六维力传感器已经超量程使用，存在过载，会造成了不可逆损伤。第一防过载柱7和第二防过载柱8可以在其超量程使用时互相抵挡，起到保护作用。

可选的，应变片5有24个，对称贴布至在弹性梁3上，四个不同预设位置的应变片5组成一个测量电桥，测量电桥用于测量弹性梁3承受对应维度的力或者力矩。

可选的，弹性梁3在梁体上开设有形变腔，形变腔的四个侧面贴有应变片5，两个相对的形变腔内在同一相对侧壁上设置的应变片5组成对应维度的测量电桥，各个用于感应弹性梁3形变程度的应变片5共同组成多个测量电桥用于测量三个不同维度的受力数据和力矩数据。

需要说明的是，采用在形变梁上开设形变腔，将应变片5贴布在形变腔内，使得应变片5对弹性梁3形变检测更加敏感，从而提高测量精度。

本发明实施例的中心轴台（现有技术六维力传感器与待测力组件相连接的部件）采用内球芯1，自内球芯1相交延展而出且避让第一安装孔2的三轴六根弹性梁3。本发明实施例的六根弹性梁3在三个不同的维度均实现了对称结构，即，在立体上对称，同时用于连接弹性梁3的内球芯1也是球状，从而使二者结合的结构实现了空间方面的对称，保证弹性梁3在测量时表现出较好的各向同性，降低了维间耦合，提高测量精度。

本发明实施例的外壳体4为三维对称结构且与内球芯1共中心，第一安装孔2等距设置于三轴六根弹性梁3的中央。本发明实施例通过外壳体4的对称结构，使得各个弹性梁3与外壳体4连接处着力点实现了各向同性，降低了维间耦合，提高测量精度。同时，第一安装孔2等距设置于三轴六根弹性梁3的中央使得在待测力组件安装在第一安装孔2进行测量时，保证测力组件对内球芯1及弹性梁3进行作用时，各向同性，降低维间耦合，提高测量精度。

本发明实施例弹性梁3为长方体柱状结构，弹性梁3的各个侧面贴有应变片5，相对的弹性梁3在相同的相对侧面的应变片5组成相对应维度的测量电桥，各个用于感应弹性梁3形变程度的应变片5共同组成多个测量电桥用于测量三个不同维度的受力数据和力矩数据。本发明实施例的应变片5贴布位置适配于本发明实施例对应六维力传感器的立体对称结构，使得测量更加精准。

本发明实施例内球芯1表面设置多根第一防过载柱7，外壳体4内部设置多根与第一防过载柱7相对应的第二防过载柱8，第一防过载柱7和第二防过载柱8之间留有预设距离的间隙且二者为凹凸嵌合结构。本发明实施例通过设置第一防过载柱7和第二防过载柱8避免了超量程使用使得六维力传感器过载，造成了不可逆损伤。

本发明实施例弹性梁3在梁体上开设有形变腔，形变腔的四个侧面贴有应变片5，两个相对的形变腔内在同一相对侧壁上设置的应变片5组成对应维度的测量电桥，各个用于感应弹性梁3形变程度的应变片5共同组成多个测量电桥用于测量三个不同维度的受力数据和力矩数据。本发明实施例通过形变腔设计，将应变片5贴布在形变腔内，使得应变片5对弹性梁3形变检测更加敏感，从而提高测量精度。

综上，本发明实施例通过使六维力传感器从结构上实现空间对称，保证测量时各个弹性梁3保持各向同性，进而提高测量精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种立体式六维力传感器，其特征在于，所述六维力传感器包括：内球芯；所述内球芯上开设有用于安装待测力组件的第一安装孔；自所述内球芯相交延展而出且避让所述第一安装孔的三轴六根弹性梁；以及外接于所述弹性梁之外的外壳体；其中，各个所述弹性梁上根据惠更斯电桥贴布有应变片，所述应变片用于感应各个所述弹性梁的形变程度并组成测量电桥输出受力数据和/或力矩数据。

2.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述外壳体为三维对称结构且与所述内球芯共中心，所述第一安装孔等距设置于所述三轴六根弹性梁的中央。

3.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述外壳体为三个共圆心且互相垂直的环状壳体组成，所述环状壳体的圆心与所述内球芯的球心位置相同。

4.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述外壳体上开设有用于将所述外壳体进行固定的第二安装孔。

5.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述弹性梁为长方体柱状结构，所述弹性梁的各个侧面贴有所述应变片，相对的所述弹性梁在相同的相对侧面的所述应变片组成相对应维度的测量电桥，各个用于感应所述弹性梁形变程度的所述应变片共同组成多个所述测量电桥用于测量三个不同维度的所述受力数据和所述力矩数据。

6.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述内球芯表面设置多根第一防过载柱，所述外壳体内部设置多根与所述第一防过载柱相对应的第二防过载柱，所述第一防过载柱和所述第二防过载柱之间留有预设距离的间隙且二者为凹凸嵌合结构。

7.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述应变片有24个，对称贴布至在所述弹性梁上，四个不同预设位置的应变片组成一个所述测量电桥，所述测量电桥用于测量所述弹性梁承受对应维度的力或者力矩。

8.根据权利要求1所述的立体式六维力传感器，其特征在于，所述弹性梁在梁体上开设有形变腔，所述形变腔的四个侧面贴有所述应变片，两个相对的所述形变腔内在同一相对侧壁上设置的应变片组成对应维度的测量电桥，各个用于感应所述弹性梁形变程度的所述应变片共同组成多个所述测量电桥用于测量三个不同维度的所述受力数据和所述力矩数据。