CN102183331B

CN102183331B - 一种六维力传感器

Info

Publication number: CN102183331B
Application number: CN2010105489393A
Authority: CN
Inventors: 王兴松; 伏春乾; 尤海飞
Original assignee: Southeast University
Current assignee: JIANGSU JINSHENGYUAN SPECIAL VALVES CO Ltd; Southeast University
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: CN102183331A

Abstract

本发明公开了一种六维力传感器，包括支撑垫圈、盖板、外壳、底板、八个预紧旋钮、第一弹性体、第二弹性体、顶杆、传力钢珠和应变片。盖板和底板固定连接在外壳的两端；在外壳的四个内角上分别设置一个平台，每个平台的上方布置一个传力钢珠，相邻传力钢珠之间布置两根顶杆；第一弹性体包括本体和四根弹性梁，弹性梁一端位于传力钢珠的上方；弹性梁和盖板之间设置有压块和加载钢珠，第二弹性体包括本体和四根弹性梁，弹性梁一端位于处于同一边的两根顶杆之间；该第二弹性体位于第一弹性体的下方，两者固定连接；支撑垫圈一端位于盖板上方，另一端与第一弹性体固定连接。该结构传感器测量准确，力耦合性强，且结构简单紧凑。

Description

一种六维力传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，具体来说，涉及一种六维力传感器，尤其适用于测量足力或者机床切削力。

背景技术

人体的运动机制是极其巧妙的，研究人体运动过程中足力的情况具有广泛的意义。在运动生物力学研究领域，运动过程中的足力是研究的一项重要参数；体育训练领域，对体育运动过程中的足力进行分析，可以帮助研究和评定动作参数，改进动作，提高成绩，使体育训练从经验走向科学；康复医疗领域，人体足力变化可以用于评价残疾、诊断疾病、评定康复情况、鉴定康复器械效果等；工业设计领域，主要是制鞋业相关领域，研究人体足力情况有助于定量分析改进产品性能；机器人技术领域，人体运动过程中的足力情况以及由其得到的零力矩点情况是双足机器人步态规划的重要依据。

人体足力检测的研究早在上个世纪六七十年代就已经开始了。最早只是定性的测量——脚印检测法和足压描记器，脚印检测法方法简单，成本低，但只能测得行走脚底压力的峰值。足压描记器测量精度高，可以测得压力瞬时值，但只能得到单侧一步的压力参数。随着传感器技术的发展，目前主要的测量方式有测力平台、测力地垫、测力鞋垫等，利用的传感测量原理主要有电容式、压阻式、应变式、压电式等。测力平台通常采用的是在平台四脚分别安装四个三维力传感器的方式，可以测量得到平台上作用的六维力信息以及压力中心点。常用的各种测力板都只能测得人体运动时作用在测力板上总体的六维力信息以及压力中心点，不能测得分布力信息。因此，步态分析中如果要获得两脚各自的足力情况，一般需要设置至少两个测力平台，测量时两足分别落在一个测力平台上。目前所有的这些底部安装有三维力传感器的测力板，各个力传感器只测得三维力，而实际上由于安装为固定安装传感器还作用有三维力矩，这造成了检测力矩的遗漏并对传感器的三维力测量造成了干扰，影响了测量数据的准确性。另外，所使用的三维力传感器的结构大多是力耦合的，虽然有一系列的解耦措施，但还是对结果的精度有较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种六维力传感器，可以准确测量六维力和力矩，实现维间耦合，且力耦合性强，整个装置结构简单紧凑。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种六维力传感器，其特征在于，包括支撑垫圈、盖板、外壳、底板、八个预紧旋钮、第一弹性体、第二弹性体、八根长度相同的顶杆、四个体积相同的传力钢珠、应变片；所述的盖板和底板相互平行固定连接在外壳的两端；所述的外壳是横截面呈方形的套筒，在该外壳的四个内角上分别设置一个处于同一平面的平台，每个平台的上方布置一个传力钢珠，相邻传力钢珠之间布置两根顶杆；每个传力钢珠的两边都布置一个穿过外壳的预紧旋钮；与每个传力钢珠相抵压的两个预紧旋钮和两根顶杆处于同一水平面，且呈十字形；所述的第一弹性体包括本体和四根弹性梁，该四根弹性梁均匀分布在本体的周边，且其一端位于传力钢珠的上方；每根弹性梁和盖板之间设置有压块和加载钢珠，该压块固定连接在盖板的下方，在第一弹性体的弹性梁的上方设置有弧形凹口，该加载钢珠位于弧形凹口中，并且其顶端与压块相抵压；所述的第二弹性体包括本体和四根弹性梁，该四根弹性梁均匀分布在本体的周边，且其一端位于处于同一边的两根顶杆之间；该第二弹性体位于第一弹性体的下方，其间留有空隙，且两者同轴心固定连接；所述的应变片分别固定连接在第一弹性体弹性梁的上表面和下表面，以及第二弹性体弹性梁的左侧面和右侧面；所述的支撑垫圈一端位于盖板上方，另一端穿过盖板与第一弹性体固定连接。

与现有技术相比，采用本结构的六维力传感器具有准确测量六维力和力矩，实现维间耦合，且力耦合性强，整个装置结构简单紧凑的优点。本技术方案中，六维力传感器包括支撑垫圈、盖板、外壳、底板、八个预紧旋钮、第一弹性体、第二弹性体、八根长度相同的顶杆、四个体积相同的传力钢珠、应变片。其中，第一弹性体包括四个悬臂梁，每个悬臂梁为一个一维测力元件。四个悬臂梁组合后，可以测量竖直面上的力和水平面上的力矩。第二弹性体包括四个悬臂梁，每个悬臂梁为一个一维测力元件。四个悬臂梁组合后，可以测量平面上的力和竖直面上的力矩。这样，整个六维力传感器由八个一维测力元件组合构成，将电桥和放大电路嵌入在传感器内部，用来采集分析力和力矩。该装置测量准确，力耦合性强，且结构简单紧凑。

附图说明

图1是本发明的正面局部剖视示意图。

图2是本发明的俯视局部剖视示意图。

图3是本发明的水平方向弹性传力的结构示意图。

图4是本发明的竖直方向弹性传力的结构示意图。

图5是本发明的信号采集系统框图。

图6是本发明的结构示意图。

图中，1、支撑垫圈，2、盖板，3、外壳，4、底板，5、预紧旋钮，6、第一弹性体，601、本体，602、弹性梁，7、第二弹性体，701、本体，702、弹性梁，8、顶杆，9、传力钢珠，10、平台，11、压块，12、加载钢珠，13、测力板，14、垫脚。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明的一种六维力传感器，包括支撑垫圈1、盖板2、外壳3、底板4、八个预紧旋钮5、第一弹性体6、第二弹性体7、八根长度相同的顶杆8、四个体积相同的传力钢珠9、应变片。其中，第一弹性体6用于测量竖直方向的力和水平方向的力矩，即Z向力，以及X向力矩和Y向力矩。第二弹性体7用于测量水平方向的力和竖直方向的力矩，即X向力和Y向力，以及Z向力矩。盖板2和底板4固定连接在外壳3的两端。连接方式可以采用紧固螺母连接。盖板2和底板4相互平行。外壳3是横截面呈方形的套筒。在外壳3的四个内角上分别设置一个平台10。四个平台10的顶面处于同一平面。每个平台10的上方布置一个传力钢珠9。相邻传力钢珠9之间布置两根顶杆8。每个传力钢珠9的两边都分别布置一个预紧旋钮5。预紧旋钮5一端位于外壳3外侧，另一端穿过外壳3抵压在传力钢珠9的一侧。这样，与每个传力钢珠9相抵压的零件有四个，分别是两个预紧旋钮5和两根顶杆8。该两个预紧旋钮5和两根顶杆8处于同一平面，且呈十字形。第一弹性体6和第二弹性体7位于外壳3内部。第一弹性体6包括本体601和四根弹性梁602。四根弹性梁602均匀分布在本体601的周边，且其一端抵压在传力钢珠9的上方。每根弹性梁602和盖板2之间设置有压块11和加载钢珠12。该压块11固定连接在盖板2的下方。压块11可以采用H7/p6过盈配合与盖板2连接。第一弹性体6的弹性梁602的上方设置有弧形凹口。该加载钢珠12位于弧形凹口中，并且其顶端与压块11相抵压。第二弹性体7包括本体701和四根弹性梁702。该四根弹性梁702均匀分布在本体701的周边，且其一端位于处于同一边的两根顶杆8之间。第二弹性体7位于第一弹性体6的下方，其间留有空隙。第二弹性体7和第一弹性体6同轴心，并且两者固定连接。应变片有多片，分别固定连接在弹性梁602的上表面和下表面，以及弹性梁702的左侧面和右侧面。弹性梁602的上表面与加载钢珠12相抵压，弹性梁602的下表面与传力钢珠9相抵压，弹性梁702的左侧面和右侧面都与顶杆8相抵压。这些应变片可以连接成惠斯通桥路。支撑垫圈1一端位于盖板2上方，用于采集力信号；另一端穿过盖板2与第一弹性体6固定连接，用于传递力信号。

该结构的六维力传感器的工作原理是：第一弹性体6包括四个悬臂梁602，每个悬臂梁602为一个一维测力元件。四个悬臂梁602组合后，可以测量竖直面上的力和水平面上的力矩，即Z向力、X向力矩和Y向力矩。第二弹性体7包括四个悬臂梁702，每个悬臂梁702为一个一维测力元件。四个悬臂梁702组合后，可以测量平面上的力和竖直面上的力矩，即X向力、Y向力和Z向力矩。这样，整个六维力传感器由八个一维测力元件组合构成，将电桥和放大电路嵌入在传感器内部，可以用来采集分析力和力矩。

图3是水平方向，即X向和Y向，弹性传力的结构示意图。如图3所示，由预紧旋钮5实现第二弹性体7水平方向的固定，传力钢珠9通过预紧旋钮5施加预紧力，使顶杆8能充分将X向和Y向的载荷施加到第二弹性体7上，使其产生形变，再通过第二弹性体7上的应变片将水平面的力信号转变成电信号输出。

图4是竖直方向，即Z向，弹性传力的结构示意图。如图4所示，第一弹性体6的弹性梁602末端压在传力钢珠9上面，传力钢珠9由外壳3内角上的平台10支撑。第一弹性体6的弹性梁602上表面嵌入加载钢珠12，通过盖板2上的压块11压紧。这样，加载钢珠12与传力钢珠9共同约束第一弹性体6上的四个弹性梁602竖直方向的自由度。

该结构的六维力传感器工作时，由盖板2上面的支撑垫圈1采集加载在传感器上的力和力矩。力和力矩通过传感器内部的顶杆8和传力钢珠9将力和力矩解耦作用在传感器内部的八个一维测力元件上，引起分布在一维测力元件中的应变片产生形变。如图6所示：八个一维测力元件组合起来，构成六维测力结构。作用在六维测力结构上的外力包括两类：一是作用在第一弹性体6上的本体602上的力；二是通过四个角上的传力钢珠9和顶杆8传递的力，再根据受力平衡条件，

F_x＝-(F_x2+F_x4)

F_y＝-(F_y1+F_y3)

F_z＝-(F_z5+F_z6+F_z7+F_z8)

M_{x} = - (F_{z 5} + F_{z 6} - F_{z 7} - F_{z 8}) \cdot \frac{L}{2}

M_{y} = - (- F_{z 5} + F_{z 6} + F_{z 7} - F_{z 8}) \cdot \frac{L}{2}

M_{x} = - (F_{y 1} - F_{x 2} - F_{y 3} + F_{x 4}) \cdot \frac{L}{2}

其中，F_x表示传感器受到的六维力在X向上的力，F_y表示传感器受到的六维力在Y向上的力，F_z表示传感器受到的六维力在Z向上的力，M_x表示传感器受到的六维力在X向上的力矩，M_y表示传感器受到的六维力在Y向上的力矩，M_z表示传感器受到的六维力在Z向上的力矩。L表示相邻传力钢珠9球心之间的距离。第二弹性体7上的弹性梁702有四根，第一根弹性梁702在Y向上的力为F_y1，第二根弹性梁702在X向上的力为F_x2，第三根弹性梁702在Y向上的力为F_y3，第四根弹性梁702在X向上的力为F_x4。第一弹性体6上的弹性梁602有四根，第一根弹性梁602在Z向上的力为F_Z5，第二根弹性梁602在Z向上的力为F_Z6，第三根弹性梁602在Z向上的力为F_Z7，第四根弹性梁602在Z向上的力为F_Z8。

利用上述公式，解出作用在六维传感器上的六维力F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z。

应变片形变产生的信号如图5所示：应变片采集的力和力矩，经过惠斯通桥路转换为微弱的电压信号，再由信号放大电路放大，滤波电路滤波，最后由信号采集系统对经过处理后的电压信号进行A/D转换，即采用模拟信号转换为数字信号，得到的数据由计算机读取，经过相应换算得到电压信号的值，再结合标定实验得到的标定系数，由计算机计算出传感器受到的六维力。使用该结构的传感器测量六维力，数值准确，力耦合性强，且结构简单紧凑。

进一步，所述的六维力传感器还包括测力板13，该测力板13固定连接在支撑垫圈1的上方。通过添加测力板13，可以方便向支撑垫圈1传力。

进一步，所述的支撑垫圈1为四个，且围绕第一弹性体6的本体601中心轴均匀对称分布。支撑垫圈1围绕本体601中心轴，间隔90°布置一个。这样可以保证传递的力的均匀性。

进一步，所述的第一弹性体6的本体601和第二弹性体7的本体701的横截面都呈圆形。这样的结构便于力的信号传递，使得测量更加准确。

进一步，所述的第一弹性体6和第二弹性体7通过螺栓连接，并且在第一弹性体6和第二弹性体7之间设置有垫圈，该垫圈与螺栓相配合。在连接第一弹性体6和第二弹性体7的螺栓外侧设置垫圈，可以保证第一弹性体6和第二弹性体7之间留有一定间隙，使得第一弹性体6的弹性梁602和第二弹性体7的弹性梁702在测量和传递力信号时不发生干涉，确保测力的准确性。

进一步，所述的六维力传感器还包括四个垫脚14，所述的垫脚14固定连接在底板4的下方。通过调整垫脚14，可以保证六维力传感器保持水平状态。

Claims

1. 一种六维力传感器，其特征在于，包括支撑垫圈（1）、盖板（2）、外壳（3）、底板（4）、八个预紧旋钮（5）、第一弹性体（6）、第二弹性体（7）、八根长度相同的顶杆（8）、四个体积相同的传力钢珠（9）、应变片；

所述的盖板（2）和底板（4）相互平行固定连接在外壳（3）的两端；

所述的外壳（3）是横截面呈方形的套筒，在该外壳（3）的四个内角上分别设置一个处于同一平面的平台（10），每个平台（10）的上方布置一个传力钢珠（9），相邻传力钢珠（9）之间布置两根顶杆（8）；每个传力钢珠（9）的两边都布置一个穿过外壳（3）的预紧旋钮（5）；与每个传力钢珠（9）相抵压的两个预紧旋钮（5）和两根顶杆（8）处于同一水平面，且呈十字形；

所述的第一弹性体（6）包括本体（601）和四根弹性梁（602），该四根弹性梁（602）均匀分布在本体（601）的周边，且其一端位于传力钢珠（9）的上方；每根弹性梁（602）和盖板（2）之间设置有压块（11）和加载钢珠（12），该压块（11）固定连接在盖板（2）的下方，在第一弹性体（6）的弹性梁（602）的上方设置有弧形凹口，该加载钢珠（12）位于弧形凹口中，并且其顶端与压块（11）相抵压；

所述的第二弹性体（7）包括本体（701）和四根弹性梁（702），该四根弹性梁（702）均匀分布在本体（701）的周边，且其一端位于处于同一边的两根顶杆之间；该第二弹性体（7）位于第一弹性体（6）的下方，其间留有空隙，且两者同轴心固定连接；

所述的应变片分别固定连接在第一弹性体的弹性梁（602）的上表面和下表面，以及第二弹性体的弹性梁（702）的左侧面和右侧面；

所述的支撑垫圈（1）一端位于盖板（2）上方，另一端穿过盖板（2）与第一弹性体（6）固定连接。

2. 按照权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于，还包括测力板（13），该测力板（13）固定连接在支撑垫圈（1）的上方。

3. 按照权利要求1或2所述的六维力传感器，其特征在于，所述的支撑垫圈(1)为四个，且围绕第一弹性体（6）的本体（601）中心轴均匀对称分布。

4. 按照权利要求3所述的六维力传感器，其特征在于，所述的第一弹性体（6）的本体（601）和第二弹性体（7）的本体（701）的横截面都呈圆形。

5. 按照权利要求4所述的六维力传感器，其特征在于，所述的盖板（2）和压块（11）过盈配合。

6. 按照权利要求5所述的六维力传感器，其特征在于，所述的第一弹性体（6）和第二弹性体（7）通过螺栓连接，并且在第一弹性体（6）和第二弹性体（7）之间设置有垫圈，该垫圈与螺栓相配合。

7. 按照权利要求6所述的六维力传感器，其特征在于，还包括四个垫脚（14），所述的垫脚（14）固定连接在底板（4）的下方。