CN100535620C - 正交串联线弹性体式六维力传感器 - Google Patents

Abstract

正交串联线弹性体式六维力传感器中，第一矩形截面梁(1)的一端连接矩形的受力连接端(7)，另一端连接第一矩形的连接块(2)，第二矩形截面梁(3)的一端连接第一矩形的连接块(2)，另一端连接第二矩形的连接块(4)；第三矩形截面梁(5)的一端连接第二矩形的连接块(4)，另一端连接矩形的固定连接端(6)；第一矩形截面梁(1)、第二矩形截面梁(3)、第三矩形截面梁(5)为两两互相垂直的空间关系，应变片分别位于三个矩形截面梁上。同现有的技术相比，本发明的优点是：结构简单、测量原理简单、尺寸可以很小、易于微型化、精度高以及便于加工制作等优点。可用于微小模型等各种需要空间六维力测量的场合。

Description

正交串联线弹性体式六维力传感器

技术领域

本发明是一种测量空间六维力的传感器结构，主要用于微型飞行器或其他微小模型空间六维力的测量，属于力传感器设计制造领域。

背景技术

目前国内外对六维力传感器研究主要的应用是在机器人技术上，按测力原理可分为电阻应变式、电容式、电感式、压电式和光电式，按弹性体结构可以分为直接输出形(无耦合型)和间接输出型(耦合型)，但是设计原理或者加工工艺都比较复杂。在弹性体结构设计方面，已经设计出的六维力传感器有Stewart结构、梁式结构、八角环式结构等形式，虽然都可以实现六维力的测量，但是结构设计、计算原理及制作都很复杂，结构不够微型化。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种正交串联线弹性体式六维力传感器，通过简单的正交串联结构，测量空间六维力的大小。

技术方案：本发明的正交串联线弹性体式六维力传感器中，第一矩形截面梁的一端连接矩形的受力连接端，另一端连接第一矩形的连接块，第二矩形截面梁的一端连接第一矩形的连接块，另一端连接第二矩形的连接块；第三矩形截面梁的一端连接第二矩形的连接块，另一端连接矩形的固定连接端；第一矩形截面梁、第二矩形截面梁、第三矩形截面梁为两两互相垂直的空间关系，应变片分别位于三个矩形截面梁上。在第一矩形截面梁长度方向上设有第一三等分点、第二三等分点，在第二矩形截面梁长度方向上设有第三三等分点、第四三等分点，在第一矩形截面梁长度方向上设有第五三等分点、第六三等分点，在该六个三等分点上布置六枚相同规格的应变片。

工作原理：在受力端，结构受到空间三维正交力(Fx、Fy、Fz)以及三维正交力矩(Mx、My、Mz)的作用。固定端固定在支座上。在三维力和三维力矩的作用下，传感器中的线弹性体(梁)发生拉伸、弯曲及扭转变形。点a、b、c、d、e、f均为所在矩形截面梁的三等分点(也可以不是三等分点，只要求有明确的几何位置即可)，在该六个点上沿梁轴线方向布置六枚相同规格的应变片。通过材料力学、理论力学以及弹性力学理论对该受力结构进行分析，可以得到通过六维力表示的六点处的应变数值的公式，如公式(1)所示。再反推该六维公式，就可以得到通过六点处的应变数值来计算六维力的公式，如公式(2)所示。因此，只需要通过测量出的六点的应变数值，就可以得到空间六维力的大小。

${\mathrm{\ϵ}}_{1x}=\frac{M_z}{\mathrm{EW}}+\frac{F_x*(L+m/2)}{\mathrm{EW}}+\frac{F_x}{\mathrm{EA}}-\frac{F_y*(l+b/2)}{\mathrm{EW}}$

${\mathrm{\ϵ}}_{2x}=\frac{M_z}{\mathrm{EW}}+\frac{F_x*(L+m/2)}{\mathrm{EW}}+\frac{F_x}{\mathrm{EA}}-\frac{F_y*(2l+b/2)}{\mathrm{EW}}$

${\mathrm{\ϵ}}_{1y}=\frac{M_x}{E*W}+\frac{F_y}{E*A}-\frac{F_z*l}{E*W}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{2y}=\frac{M_x}{E*W}+\frac{F_y}{E*A}-\frac{F_z*2l}{E*W}$

${\mathrm{\ϵ}}_{1z}=\frac{M_y}{E*W}-\frac{F_z*(l+m/2)}{E*W}-\frac{F_z}{E*A}-\frac{F_x*(l+b/2)}{E*W}$

${\mathrm{\ϵ}}_{2z}=\frac{M_y}{E*W}-\frac{F_z*(L+m/2)}{E*W}-\frac{F_z}{E*A}-\frac{F_x*(2l+b/2)}{E*W}$

F_x＝EW(ε_1z-ε_2z)/L

F_y＝EW(ε_1x-ε_2x)/L

F_z＝EW(ε_1y-ε_2y)/L

M_x＝EW(ε_2y-2ε_1y)+EW²(ε_1x-ε_2x)/(LA)

$M_y=\frac{\mathrm{EW}}{2l}[(4l+b){\mathrm{\ϵ}}_{1z}-(2l+b){\mathrm{\ϵ}}_{2z}]---\left(2\right)$

$+[3+\frac{m}{2l}+\frac{W}{A*l}]\mathrm{EW}({\mathrm{\ϵ}}_{1y}-{\mathrm{\ϵ}}_{2y})$

$M_z=\frac{\mathrm{EW}}{2l}[(2l+b){\mathrm{\ϵ}}_{2x}-(4l+b){\mathrm{\ϵ}}_{1x}]$

$+[3+\frac{m}{2l}+\frac{W}{\mathrm{Al}}]\mathrm{EW}({\mathrm{\ϵ}}_{1z}-{\mathrm{\ϵ}}_{2z})$

式中，E为弹性模量，b为矩形截面梁的宽度，h为矩形截面梁的厚度，L为矩形截面梁的长度，l为L的三分之一，m为矩形连接块的第三个尺寸(其他两个尺寸为b)。W为抗弯截面系数(W＝bh²/6)，A为截面面积（A＝b*h)。ε₁，ε₂，ε_1y，ε_2y，ε_1z，ε_2z分别为图中a、b、c、d、e、f点处的应变数值。Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz分别为受力端受到的空间三维正交力和三维正交力矩。

有益效果：该传感器线弹性体结构通过三个线弹性体简单的正交联结、以及少量的(六个)应变片布置，就可以方便的测量推算出空间六维力的大小。该传感器结构简单、制作方便，避免了复杂弹性体的设计制作以及复杂的测量过程。

附图说明

图1为传感器线弹性体结构示意图，图中有：第一矩形截面梁1、第二矩形截面梁3、第三矩形截面梁5，第一矩形的连接块2、第二矩形的连接块4，矩形的固定连接端6，矩形的受力连接端7；第一三等分点a、第二三等分点b，第三三等分点c、第四三等分点d，第五三等分点e、第六三等分点f；Fx、Fy、Fz为空间三维正交力，Mx、My、Mz为空间三维正交力矩。

具体实施方式

第一矩形截面梁1、第二矩形截面梁3、第三矩形截面梁5为三个尺寸相同的矩形截面梁，且三个梁的横截面处处相同，即为等截面梁，第一矩形截面梁1的一端连接矩形的受力连接端7，另一端连接第一矩形的连接块2，第二矩形截面梁3的一端连接第一矩形的连接块2，另一端连接第二矩形的连接块4；第三矩形截面梁5的一端连接第二矩形的连接块4，另一端连接矩形的固定连接端6；第一矩形截面梁1、第二矩形截面梁3、第三矩形截面梁5为两两互相垂直的空间关系。固定连接端6用于固定弹性体即第三矩形截面梁5，受力连接端7用于连接受力物体。

如图所示，线弹性体即第一矩形截面梁1的长度方向为y轴方向，线弹性体即第二矩形截面梁3的长度方向为x轴方向，弹性体即第三矩形截面梁5的长度方向为z轴方向。

第一矩形截面梁1、第二矩形截面梁3、第三矩形截面梁5与第一矩形的连接块2、第二矩形的连接块4之间可以通过小螺栓进行固定，或者通过强性胶水粘贴。

该传感器弹性体采用正交串联体结构，通过连接技术将三个矩形截面薄片与两个连接块按照示意图中的方式连接成一个整体。在图示第一三等分点a、第二三等分点b，第三三等分点c、第四三等分点d，第五三等分点e、第六三等分点f点位置处，沿梁轴线方向布置相同规格的六枚应变片。第三矩形截面梁5连接在固定端上。第一矩形截面梁1上端连接在受力端上。

Claims (2)

1.一种正交串联线弹性体式六维力传感器，其特征在于第一矩形截面梁(1)的一端连接矩形的受力连接端(7)，另一端连接第一矩形的连接块(2)，第二矩形截面梁(3)的一端连接第一矩形的连接块(2)，另一端连接第二矩形的连接块(4)；第三矩形截面梁(5)的一端连接第二矩形的连接块(4)，另一端连接矩形的固定连接端(6)；第一矩形截面梁(1)、第二矩形截面梁(3)、第三矩形截面梁(5)为两两互相垂直的空间关系，每个矩形截面梁上沿长度方向设置两枚应变片。

2.根据权利要求1所述的正交串联线弹性体式六维力传感器，其特征在于在第一矩形截面梁(1)长度方向上设有三分之一点(a)、三分之二点(b)，在第二矩形截面梁(3)长度方向上设有三分之一点(c)、三分之二点(d)，在第三矩形截面梁(5)长度方向上设有三分之一点(e)、三分之二点(f)，在该六个三等分点上布置六枚相同规格的应变片。