CN101571433B

CN101571433B - 三维力传感器

Info

Publication number: CN101571433B
Application number: CN2009100330388A
Authority: CN
Inventors: 戴振东; 俞志伟; 张昊; 吴强; 李宏凯
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2029-06-08
Also published as: CN101571433A

Abstract

一种三维力传感器，属传感器技术领域。其传感器主体为四棱台结构或平行六面体结构；在上述传感器主体上沿竖直方向依次等间距排列4n个水平切割槽；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，其槽口切入面所对应的传感器主体侧面按顺时针或逆时针方式循环排列；连续的4个水平切割槽构成一个切割单元；一共形成n个切割槽单元；所述的应变片为4个相同的应变片，分别贴于传感器主体的四个侧面，每个应变片与相应的电阻构成独立的单臂电桥电路。具有重量轻、体积小、解耦性强、结构简单等特点的三维力传感器。该三维力传感器可用于微小型腿式机器人腿部三维接触力检测，可以作为微小型腿式机器人腿部结构的组成部分。

Description

三维力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术应用领域，具体涉及一种新型的三维力传感器，主要应用于三维力检测。

背景技术

目前国内外对三维力传感器研究主要应用于机器人技术上，按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式和光电式，按弹性体结构可以分为直接输出型和间接输出型，但设计原理及加工工艺都较为复杂。在弹性体结构设计中，主要采用梁式结构(专利200810025591.2韩玉林等)、筒式结构(专利200610016178.0刘波等)、框架式结构(专利03112680.4宋爱国等)等，虽然都能够实现三维力检测，但是在结构设计、计算原理及制造方面都较为复杂，主要表现在结构上不够紧凑，很难用于微小型的机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有重量轻、体积小、解耦性强、结构简单等特点的三维力传感器。该三维力传感器可用于微小型腿式机器人腿部三维接触力检测，可以作为微小型腿式机器人腿部结构的组成部分。

一种三维力传感器，包括传感器主体和应变片，其特征在于：所述传感器主体为四棱台结构或平行六面体结构；在上述传感器主体上沿竖直方向依次等间距排列4n个水平切割槽，n为自然数，该水平切割槽即沿传感器主体的一个侧面水平切入并不完全使传感器主体切断，设自上而下分别为第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，其槽口切入面所对应的传感器主体侧面按顺时针或逆时针方式循环排列；上述所有水平切割槽竖直宽度均相等，所有水平切割槽根部与对应的未切断侧面间距相等或不相等；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，连续的4个水平切割槽构成一个切割单元；一共形成n个切割槽单元；所述的应变片为4个相同的应变片，分别贴于传感器主体的四个侧面，每个应变片与相应的电阻构成独立的单臂电桥电路。

本发明的工作原理为：当受力面中心点受到三维力，在三维力的作用下，贴有4个应变片的侧面发生变形，导致所述4个应变片的长度发生变化，最终引起每个应变片的电阻值发生变化，通过上述所述的在4个侧面组建相互独立单臂电桥电路，可检测传感器主体受力变形下各个单臂电桥的输出电压，通过输出的电压值及采用相关的解耦算法得到三维力大小与方向。

本发明中切割槽宽度大小和切割槽底端与对应侧面间距大小对传感器的性能起到决定性影响。选择切割槽的宽度大小主要考虑在传感器受力状况下四棱台结构或平行六面体结构变形时能够满足应变片变形在允许的工作范围要求，同时也要考虑在传感器过载时起到过载保护的作用，其他尺寸及结构相同的情况下切割槽的宽度越大，应变片受力可变形量越大，过载保护效果越差；切割槽底端与对应侧面间距大小选择主要考虑传感器三维各项力的量程范围及相互关系，通过调整切割槽底端与对应侧面间距实现传感器三维各项受力的不同量程范围，其他尺寸及结构相同的情况下切割槽底端与对应侧面间距越大，传感器量程越大。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明的可以实现微小型腿式机器人腿部三维力检测。

2、本发明的三维力传感器结构简单、工作原理清晰、加工方便、经济可行。

3、本发明的三维力传感器体积小、重量轻、解耦性强，满足微小型机器人腿部结构设计要求，为微小型腿式机器人自主力反馈控制提供必要的设备保障。

4、本发明的三维力传感器可实现三维力感知的微小型腿式机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。

附图说明

图1是本发明三维力传感器长方体结构示意图。

图2是本发明三维力传感器长方体结构示意图；其中图2-1是主视图，图2-2是左视图，图2-3是俯视图。

图3是本发明三维力传感器应变片布置示意图；其中图3-1是主视图，图3-2是左视图，图3-3是俯视图。

图4是本发明三维力传感器电路图。

图1-4中标号名称：L_x为长方体结构长；L_y为长方体结构宽；L_z为长方体结构高；A、B、C和D为4个侧面；E为受力面；F_x、F_y和F_z为传感器所受三维力；o为传感器所受三维力作用点；S_A、S_B、S_C和S_D为切割槽；l₁为一个切割单元分布长度；l_n为n个切割单元分布长度；b为切割槽宽度；a_n、b_n、c_n和d_n分别为切割槽S_A、S_B、S_C和S_D底端与侧面C、D、A和B在第n个切割周期内的间距；R_A、R_B、R_C和R_D为4个应变片；l_R1为应变片长度；l_R2为应变片宽度；U₁、U₂、U₃和U₄为单臂电桥输出电压；E为电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1-2，本实施例为一个长方体结构1，所述的长方体结构1长为L_x，宽为L_y，高为L_z，具有4个在中心轴方向为顺时针(或逆时针)排列的侧面A、B、C和D；所述的侧面A、B、C和D分别有平行于受力面E的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D；所述的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D在中心轴方向为顺时针(或逆时针)排列，且在中心轴方向绕顺时针(或逆时针)转一圈为一个切割单元，分布长度为l₁，同理在中心轴方向顺时针(或逆时针)转n圈，则分布长度为l_n；所述的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D的宽度为b，在n个切割周期单元内均布；所述的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D底端与侧面C、D、A和B在第n个切割周期内的间距分别为a_n、b_n、c_n和d_n。

如图3所示，所述的侧面A、B、C和D在切割槽S_A、S_B、S_C和S_D处贴有应变片R_A、R_B、R_C和R_D；所述的应变片R_A、R_B、R_C和R_D位于侧面A、B、C和D上，且长度为l_R1、宽度为l_R2。

如图4所示，所述的应变片R_A、R_B、R_C和R_D分别组建相互独立的单臂电桥电路，连接点1和3分别与电源E两端连接，连接点2和4输出端电压分别为U₁、U₂、U₃和U₄。

如图1所示，所述受力面E的中心点受到三维力F_x、F_y和F_z，在三维力F_x、F_y和F_z的作用下，贴有应变片R_A、R_B、R_C和R_D的侧面A、B、C和D发生变形，导致所述应变片R_A、R_B、R_C和R_D的长度l_R1发生变化，最终引起应变片R_A、R_B、R_C和R_D的电阻值发生变化，通过上述所述的在每个侧面A、B、C和D组建相互独立单臂电桥，可检测长方体结构1受力变形下各个单臂电桥的输出电压U₁、U₂、U₃和U₄，通过输出电压U₁、U₂、U₃和U₄相关的解耦算法得到三维力大小与方向。

所述的解耦算法是通过输出电压U₁、U₂、U₃和U₄在相应方向上叠加，具体表达式：F_x＝k_x1U₁-k_x3U₃；F_y＝k_y1U₁-k_y3U₃；F_z＝k_z1U₁+k_z2U₂+k_z3U₃+k_z4U₄，其中k_x1、k_x3、k_y1、k_y3、k_z1、k_z2、k_z3、k_z4为修正系数，其值与所述的a_i、b_i、c_i、d_i(i＝1，2......n)与L_x或L_y的比例值有一定的相关性，具体设计时基于某种材质的传感器主体结构，通过ANSYS仿真调整比例值关系选择传感器各项量程，经过传感器实际标定得到上述修正系数，最终通过上述输出电压U₁、U₂、U₃和U₄计算各项受力大小。由上述F_x、F_y和F_z表达式可见，基于输出电压U₁、U₂、U₃和U₄参数的力学计算简单，表明该传感器具有各项解耦性强的特点。

必须指出，上述实施例只是本发明实现三维力传感器结构设计的一种实现方式，不能据此限定本发明的保护范围，其它等同的结构仍属于本发明的保护范围。所述的长方体结构1也可以为其它四棱台结构或平行六面体结构，且选择该种结构的传感器材质不受限。

Claims

1.一种三维力传感器，包括传感器主体和应变片，其特征在于：

所述传感器主体为四棱台结构或平行六面体结构；

在上述传感器主体上沿竖直方向依次等间距排列4n个水平切割槽，n为自然数，该水平切割槽即沿传感器主体的一个侧面水平切入并不完全使传感器主体切断，设自上而下分别为第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽；

上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，其槽口切入面所对应的传感器主体侧面按顺时针或逆时针方式循环排列；

上述所有水平切割槽竖直宽度均相等，所有水平切割槽根部与对应的未切断侧面间距相等或不相等；

上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，连续的4个水平切割槽构成一个切割单元；一共形成n个切割槽单元；

所述的应变片为4个相同的应变片，分别贴于传感器主体的四个侧面，每个应变片与相应的电阻构成独立的单臂电桥电路。