CN100412521C - 量程为0-1.5n的三维力传感器 - Google Patents

量程为0-1.5n的三维力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维小量程力传感器,为整体的倒“T”形结构,包括由弹性体制得的水平梁(13)和垂直梁(14),其中,水平梁(13)上对称设有左端“H”型通孔(15)和右端“H”型通孔(16),两个“H”型通孔上设有应变片构成第一组惠斯登电桥;垂直梁(14)上设有第一“H”型孔(17)和第二“H”型孔(18),第一“H”型孔(17)上设有应变片构成第二组惠斯登电桥;第二“H”型通孔(18)沿X方向设于第一“H”型通孔(17)的上方,第二“H”型通孔(18)上设有应变片构成第三组惠斯登电桥。本发明的传感器体积小,结构简单,重量轻,灵敏度高,能用于测量多种动物的运动接触力,还可用于机器人手指、手腕的力参数测试。

Description

量程为0—1.5N的三维力传感器一、 技术领域本发明涉及一种力传感器,尤其涉及一种用于可在三维方向同步测试1.5 N以下三 维力的力传感器。二、 背景技术壁虎、蜘蛛、昆虫等生物具有能够在光滑或粗糙的墙面、天花板上自如运动的能力, 深入研究上述具有全空间运动能力动物的运动规律,可以为研制出能够在墙面、天花板 上爬行的机器人提供理论依据。研究动物运动,动物脚掌与爬行表面之间的接触力是最 重要的信息之一。可以揭示动物在复杂环境下运动的规律,为设计出能适应各种工况的 机器人,提供运动机构、步态等方面的仿生力学资料。1994年,清华大学张国华等研制双杠三维测力系统。该系统由安装在双杠四根支脚 上的4个三维测力传感器、动态应变仪、7T17S数字信号处理机组成,可提供各种实时 处理的测量数据及图形。经运动员实际测试,取得了比较满意的结果,可用于双杠运动 员的实际训练中。传感器采用对径受压圆环结合圆柱受弯形式来测定三维力。应变片组 全桥。竖直方向(z方向)量程2000N,水平方向(x、 y方向)量程IOOON,测力误差在 5%以内。2000年,美国学者Autumn等用二维微牛级压阻式传感器研究了大壁虎单个刚毛的 粘附力,认为壁虎在零/负表面的附着力为VanderWaals力。乌克兰Gorb用二维传感 器测定了蜜蜂在不同表面脚掌接触的力学规律。2002年,合肥智能机械所孙立等设计出了一种新型的三维力传感器。考虑了传统力 学量传感器的动力学性能和静态标定指标等特性,对其各维灵敏度及维间耦合系数等指 标予以充分考虑。结构设计时做到了对所测维的力有较好的灵敏度,而对于非所测维力 尽可能不灵敏,这样使维间耦合小,同时保证整个结构有足够的刚度。三个方向的力量 程均为0〜3000N。由于壁虎、蜘蛛等动物的体重较轻,在不同的平面爬行时接触力的大小一般在几十 到几百毫牛之间,上述已有的传感器从测力范围、分辨率及维数三个方面都不适合对其接触力进行检测。因此必须研制出适合测量壁虎、蜘蛛等动物脚掌接触力的三维力传感器。三、发明内容1、 发明目的:本发明的目的是提供一种生物力学测试中使用的三维小量程力传感 器,量程为0—1.5N,可以精确地测试壁虎、蜘蛛等动物爬行时脚掌与接触面的X、 Y、 Z三个方向上的接触力。2、 技术方案:为了达到上述的发明目的,本发明的量程为0—1.5N的三维力传感 器为整体的倒"T"形结构,包括由弹性体制得的水平梁和垂直梁。其中,水平梁左端 沿Y方向开有一个左端"H"型通孔,右端沿Y方向开有一个右端"H"型通孔。左端"H"型通孔和右端"H"型通孔对称设置。左端"H"型通孔的左端上下壁的外表面各 贴一片应变片,右端"H"型通孔的右端上下壁的外表面各贴一片应变片,这四片应变 片构成第一组惠斯登电桥。垂直梁上设有两个"H"型通孔第一 "H"型通孔和第二 "H" 型通孔。其中,第一 "H"型通孔沿Y方向设于垂直梁上靠近水平梁的底部,第一"H" 型通孔下端左右壁的外表面各贴两片应变片,这四个应变片组成第二组惠斯登电桥;第 二 "H"型通孔沿X方向设于第一 "H"型通孔的上方,在第二 "H"型通孔的下端前后 壁的外表面各贴两片应变片,这四个应变片组成第三组惠斯登电桥。上述各通孔是沿其 深度方向分别沿X、 Y、 Z三个方向设置,各应变片贴附于各"H"型通孔相应位置的梁 的薄壁的外表面;水平梁和垂直梁的弹性体材料采用硬铝合金。垂直梁上的第二 "H"型通孔的上方设有腰形孔,以减轻垂直梁的自身重量,减小 对量测结果的影响。水平梁的一端设有接线柱,用于连接从应变片引出的导线,该接线柱与水平梁为整 体结构,接线柱可根据实际需要设于右端或左端。水平梁上的左端"H"型通孔和右端"H"型通孔两端的间距为35mm42mm,垂直梁上的第一 "H"型通孔的下端与水平梁上表面的距离为2mm-6mm,第二 "H"型通孔的下端与第一 "H"型通孔的上端的距离为3mm-6mm。当在垂直梁顶部受到沿Z方向的力时,通过水平梁上的一组应变片可以测出Z方向作用力的大小;当在垂直梁顶部受到沿X方向的力时,通过垂直梁靠近水平梁的第一"H" 型孔上的一组应变片可以测出所受X方向作用力的大小;当在垂直梁顶部受到沿Y方向 的作用力时,通过垂直梁上的第二 "H"型孔上的一组应变片可以测出Y方向作用力的 大小。3、有益效果:本发明的量程为0~1.5N的三维力传感器适合于测量壁虎、蜘蛛等 动物爬行时脚掌接触力,还可用于机器人手指、手腕的力参数测试。这种结构利用了应 力集中,在不减弱弹性体刚度的条件下,可以测得较大应变的原理,同时消除了测力点 位置的改变对Z方向力测量的影响,符合试验的要求。经测试,该三维力传感器的量程 为0〜1.5N,分辨率为lmN,维间耦合影响小于O. 15%。四、 附图说明 图l是本发明的主剖视图; 图2是本发明的左视剖视图; 图3是检测电路组成框图。图l的标号名称:1、 2、 3、 4为测Y方向力应变片,5、 6、 7、 8为测Z方向力应变片, 15、 16、 17为"H"型孔,13为水平梁弹性体,14为垂直梁弹性体,19为腰型通孔, 20为接线柱;图2的标号名称:9、 10、 11、 12为测沿X方向力应变片,18为"H"型孔。五、 具体实施方式如图1、图2所示,本实施例的量程为0"1.5N的三维力传感器为整体的倒"T"形结 构,包括由弹性体制得的水平梁13和垂直梁14。其中,水平梁13左端沿Y方向开有 一个左端"H"型通孔15,右端沿Y方向开有一个右端"H"型通孔16。左端"H"型 通孔15和右端"H"型通孔16对称设置,左端"H"型通孔15的左端上下壁的外表面 各贴一片应变片5、 7,右端"H"型通孔16的右端上下壁的外表面各贴一片应变片6、 8,应变片5、 7、 6、 8构成第一组惠斯登电桥;垂直梁14上设有两个"H"型通孔第一 "H"型通孔17和第二 "H"型通孔18,其中,第一 "H"型通孔17沿Y方向设于垂 直梁14底部靠近水平梁13,第一 "H"型通孔17下端左右壁的外表面各贴两片应变片9、 ll和lO、 12,应变片9、 11、 10、 12组成第二组惠斯登电桥;第二"H"型通孔18 沿X方向设于第一 "H"型通孔17的上方,在第二 "H"型通孔18的下端前后壁 的外表面各贴两片应变片1、 3和2、 4,应变片1、 3、 2、 4组成第三组惠斯登电桥。水平梁13和垂直梁14的弹性体材料为硬铝合金。垂直梁14上第二 "H"型通孔18的上方设有腰形孔19。水平梁13的右端设有接线柱20,用于连接从应变片引出的导线。水平梁上的左端"H"型通孔15和右端"H"型通孔16两端的间距为40mm,垂直梁上的第一 "H"型通孔17的下端与水平梁上表面的距离为3mm,第二 "H"型通孔的下端与第一 "H"型通孔的上端的距离为3mm。当在垂直梁14顶部作用Z方向力时,水平梁13两端"H"型通孔处产生较大的应变,通过第一组惠斯登电桥的一组应变片5、 6、 7、 8可测量两孔之间的应变差,即可得到Z方向力的大小;当在垂直梁14顶部作用X方向力时,通过垂直梁14上第一"H"型通孔17相应的第二组惠斯登电桥的应变片9、 10、 11、 12可以测出X方向力的大小;当在垂直梁14顶部作用Y方向力时,通过垂直梁14上第二 "H"型孔18相应的第三组惠斯登电桥的一组应变片1、 2、 3、 4可以测出Y方向力的大小。量程为0~1.5N的三维力传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化的输出,采用图3所示的应变片桥式电路。电路中的Rx (Rx广Rx2)为应变片电阻,应变片Rx的供 电电压U由直流开关电源提供。

Claims (3)

1. 一种量程为0-1.5N的三维力传感器,其特征在于,为整体的倒“T”形结构,包括由弹性体制得的水平梁(13)和垂直梁(14),其中,水平梁(13)左端沿Y方向开有一个左端“H”型通孔(15),右端沿Y方向开有一个右端“H”型通孔(16),左端“H”型通孔(15)和右端“H”型通孔(16)对称设置,左端“H”型通孔(15)的左端上下壁的外表面各贴有第一、第三应变片(5、7),右端“H”型通孔(16)的右端上下壁的外表面各贴有第二、第四应变片(6、8),第一、第二、第三、第四应变片(5、7、6、8)构成第一组惠斯登电桥;垂直梁(14)上设有两个“H”型通孔第一“H”型通孔(17)和第二“H”型通孔(18),其中,第一“H”型通孔(17)沿Y方向设于垂直梁(14)底部靠近水平梁(13),第一“H”型通孔(17)下端左右壁的外表面各贴有第五、第七应变片(9、11)和第六、第八应变片(10、12),第五、第六、第七、第八应变片(9、11、10、12)组成第二组惠斯登电桥;第二“H”型通孔(18)沿X方向设于第一“H”型通孔(17)的上方,在第二“H”型通孔(18)的下端前后壁的外表面各贴有第九、第十应变片(1、3)和第十一、第十二应变片(2、4),第九、第十、第十一、第十二应变片(1、3、2、4)组成第三组惠斯登电桥。
2、 如权利要求1所述的量程为0~1.5N的三维力传感器,其特征在于,垂直梁(14) 第二 "H"型通孔(18)的上方设有腰形孔(19)。
3、 如权利要求1所述的量程为0-"1.5N的三维力传感器,其特征在于,水平梁(13) 的一端设有接线柱(20),用于连接从应变片引出的导线。
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