CN102323000B - 一种安全型无力耦合六维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种安全型无力耦合六维力传感器。一种传感器，具体涉及一种安全型无力耦合六维力传感器。本发明为了解决电阻应变式六维力传感器存在的力耦合现象降低了传感器本身的动态响应特性和传感器测量精度的问题。本发明包括上板、下板和两个支撑块，还包括两个测量F_x的弹性体、两个测量F_y的弹性体、两个测量F_z的弹性体和两根导力杆，两个支撑块的外侧各设有一个测量F_x的弹性体、测量F_z的弹性体、测量F_y的弹性体，两个导力杆并排平行设置在两个支撑块之间且与两个支撑块垂直设置，每个测量F_x的弹性体的两个外侧面各粘贴有四个第一应变片，每个测量F_y的弹性体的两端各粘贴有四个第二应变片，每个测量F_z的弹性体的两端各粘贴有两个第三应变片。本发明用于实时、精确检测六维力信息。

Description

一种安全型无力耦合六维力传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种安全型无力耦合六维力传感器。

背景技术

所谓六维力是指相互正交的三个轴向分力F_x、F_y、F_z和绕三个轴回转的分力矩M_x、M_y、M_z。目前，许多领域都需要得到实时的、精确的六维力信息，如机器人、航空航天、汽车、建筑及造船等，以达到稳定控制或精确测量的目的，尤其是在应用于双足步行仿人机器人的脚部来控制其行走，实时精确的六维力信息对机器人的步行稳定性具有重要意义。六维力传感器又被称为六轴力/力矩传感器、六分量力传感器，是一种专门用来检测三个轴向分力和三个分力矩的装置。按照力的测量原理可分为电阻应变式、电容式、电感式、压电式和光电式等，其中应用较为广泛和成熟的是电阻应变式。目前，公知的电阻应变式六维力传感器是由壳体结构、弹性梁及应变片组合而成，将弹性梁与壳体结构固定连接，通过特定工艺将应变片粘贴在弹性梁的指定位置，当负载直接施加于弹性梁上或者通过壳体结构间接传递到弹性梁上使弹性梁发生变形，粘贴在弹性梁上的应变片也随之发生变形产生应变，然后由应变片组成的应变电桥将此机械形变转换成电量参数(电压)，再由力信号测试系统采集并显示出来完成被测力的检测。

现有的电阻应变式六维力传感器代表性结构有垂直筋式、水平梁式和垂直筋水平梁混合式三种。专利号为CN 0236964.8的专利具体公开了一种“多维力传感器”，该专利技术属于垂直筋水平梁混合式结构的电阻应变式六维力传感器，其弹性梁较薄，承载能力有限；专利CN 101419102A具体公开了一种“超薄六维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法”，其过载保护性能不好。以上两项专利从原理上皆存在所测得力分量之间相互耦合问题，需要进行解耦，从而降低了传感器本身的动态响应特性，而且解耦算法所带来的误差也降低了测量精度；专利CN 101672705A具体公开了“一种六维力传感器”，该专利技术同样存在力耦合问题，且高度方向尺寸较大。

现有技术通常在外形尺寸不大的条件下，承载能力十分有限。另外，在过载时，现有技术往往是以剪断安全销等方式实现对传感器的保护，但是具有这样保护措施的六维力传感器在应用于双足或多足步行机器人的脚部时是不安全的，因为一旦过载导致安全销剪断，这样虽然保护了传感器本身免遭破坏，但是同时也限制了传感器的正常工作，从而导致步行过程中的机器人得不到需要的力信息，不能对其进行稳定控制，造成机器人摔倒的现象，给机器人本体带来危险。

发明内容

本发明为解决现有电阻应变式六维力传感器安全性低以及存在力耦合现象降低了传感器本身的动态响应特性和传感器的测量精度的问题，进而提出一种安全型无力耦合六维力传感器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括上板、下板和两个支撑块，两个支撑块并排平行设置，上板与下板平行设置，两个支撑块位于上板与下板之间，且每个支撑块的上表面与上板的下表面连接，还包括两个测量F_x的弹性体、两个测量F_z的弹性体、两个测量F_y的弹性体和两根导力杆，两个支撑块的外侧且位于上板、下板之间的空间内各设有一个测量F_x的弹性体、一个测量F_z的弹性体、一个测量F_y的弹性体，且测量F_x的弹性体、测量F_z的弹性体、测量F_y的弹性体由外向内依次与支撑块平行设置，两个测量F_x的弹性体、两个测量F_z的弹性体、两个测量F_y的弹性体均安装在下板的上表面上，每个导力杆的两端为球面状，两个导力杆并排平行设置在两个支撑块之间且与两个支撑块垂直设置，每个导力杆的两端各穿过相应的支撑块和一个测量F_z的弹性体，每根导力杆的两个呈球面状的端部与相应的一个测量F_x的弹性体的内侧面保持点接触，每个导力杆两端的侧面分别与相应的一个测量F_z的弹性体、一个测量F_y的弹性体保持线接触，每个测量F_x的弹性体的两个外侧面各粘贴有四个第一应变片，每个测量F_y的弹性体的两端侧面上各粘贴有四个第三应变片，每个测量F_z的弹性体的两端侧面上各粘贴有两个第二应变片。

本发明的有益效果是：本发明从结构上完全消除了分力间的耦合，避免了复杂解耦算法，提高了传感器的测量精度、实时性和承载能力，同时也为传感器和使用传感器的装置提供了有效的过载保护，本发明应用于步行机器人脚部时，传感器的过载保护措施不仅避免了传感器本身结构免遭破坏，而且能够防止步行机器人摔倒现象发生。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是去除上板后本发明的整体结构示意图，图3是F_x的弹性体整体结构示意图，图4是F_z的弹性体整体结构示意图，图5是F_y的弹性体整体结构示意图，图6是本发明力的测量原理图，图7是本发明应用在双足步行仿人机器人两个脚底时的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-2所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器包括上板1、下板2和两个支撑块3，两个支撑块3并排平行设置，上板1与下板2平行设置，两个支撑块3位于上板1与下板2之间，且每个支撑块3的上表面与上板1的下表面连接，还包括两个测量F_x的弹性体4、两个测量F_z的弹性体5、两个测量F_y的弹性体6和两根导力杆7，两个支撑块3的外侧且位于上板1、下板2之间的空间内各设有一个测量F_x的弹性体4、一个测量F_z的弹性体5、一个测量F_y的弹性体6，且测量F_x的弹性体4、测量F_z的弹性体5、测量F_y的弹性体6由外向内依次与支撑块3平行设置，两个测量F_x的弹性体4、两个测量F_z的弹性体5、两个测量F_y的弹性体6均安装在下板2的上表面上，每个导力杆7的两端为球面状，两个导力杆7并排平行设置在两个支撑块3之间且与两个支撑块3垂直设置，每个导力杆7的两端各穿过相应的支撑块3和一个测量F_z的弹性体5，每根导力杆7的两个呈球面状的端部与相应的一个测量F_x的弹性体4的内侧面保持点接触，每个导力杆7两端的侧面分别与相应的一个测量F_z的弹性体5、一个测量F_y的弹性体6保持线接触，每个测量F_x的弹性体4的两个外侧面各粘贴有四个第一应变片4-3，每个测量F_y的弹性体6的两端侧面上各粘贴有四个第三应变片6-3，每个测量F_z的弹性体5的两端侧面上各粘贴有两个第二应变片5-4。

本实施方式中下板2上设置一坐标系O-XYZ，坐标原点O与下板2上表面中心重合。自然状态下，导力杆7与测量F_y的弹性体6、测量F_z的弹性体5、测量F_x的弹性体4之间均保持紧密接触，且具有一定的预紧力，每根导力杆7的两端为球形结构且表面光滑，与测量F_x的弹性体4保持点接触状态，与测量F_y的弹性体6、测量F_z的弹性体5保持线接触状态，当上板1受到单一轴向的力时，如测量F_x的弹性体4受到轴向力F_x，此时导力杆7受到轴向力并发生一个微小位移，同时将力F_x传递到测量F_x的弹性体4上，测量F_x的弹性体4发生变形，其上的应变片随之发生变形，由应变片组成的应变电桥的输出电压也随之发生相应变化，然后通过力信号测试系统采集到此电压信号，并将其转换成力F_x的信号，从而完成力的检测，此种情况下，导力杆7与测量F_y的弹性体6、测量F_z的弹性体5之间发生相对滑移，测量F_y的弹性体6、测量F_z的弹性体5并没有受到力的作用不会发生变形，故信号测试系统输出的力信号中只包含一个分力，不存在力耦合现象，同样，当测量F_y的弹性体6或测量F_z的弹性体5受到轴向力时，导力杆7与测量F_x的弹性体4、测量F_z的弹性体5之间或导力杆7与测量F_x的弹性体4、测量F_y的弹性体6之间产生相对滑移运动，使得测量F_x的弹性体4、测量F_z的弹性体5或测量F_x的弹性体4、测量F_y的弹性体6没有受到力的作用不会发生变形，故本实施方式从结构原理上直接消除了力耦合作用。本实施方式中的信号处理系统以DSP芯片TMS320LF2407A为核心，实时采集六维力传感器受到的力信号，采集到的信号再经过放大、滤波和A/D转换传送到微处理器，微处理器通过通信接口将信息传递到上位机中。

具体实施方式二：如图3所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器的每个测量F_x的弹性体4由长杆4-1和矩形板4-2组成，所述矩形板4-2的一条长边与长杆4-1的侧面固接成一体，所述矩形板4-2的侧面开有矩形通孔。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同

具体实施方式三：如图4所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器的每个测量F_z的弹性体5由底板5-1、两个立板5-2和矩形长板5-3组成，矩形长板5-3和底板5-1并排平行设置，两个立板5-2并排平行设置在矩形长板5-3和底板5-1之间，且每个立板5-2的两端分别与矩形长板5-3、底板5-2固接成一体，所述矩形长板5-3侧面的中部开有长方形通孔，所述矩形长板5-3两端部的侧面开有长方形通孔。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同

具体实施方式四：如图5所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器的每个测量F_y的弹性体6由底杆6-1和两个立柱6-2组成，两个立柱6-2并排平行设置在底杆6-1的上表面上，每个立柱6-2的上端面为曲面。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1-5所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器的测量F_x的弹性体4、测量F_z的弹性体5、测量F_y的弹性体6均为Cr12MoV模具钢制作的测量F_x的弹性体4、测量F_z的弹性体5、测量F_y的弹性体6。本实施方式提高了测量F_y的弹性体6、测量F_z的弹性体5、测量F_x的弹性体4的表面硬度和耐磨性，使本发明具有高刚度性能和大承载能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：如图2所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器还包括锁紧杆8，所述锁紧杆8的两端通过调节螺栓与两个支撑块3的内侧连接。本实施方式保证了导力杆7与支撑块3之间能够保持紧凑的位置关系。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图2所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器的导力杆7为GCr15轴承钢制作的导力杆7。本实施方式提高了导力杆7的表面硬度和耐磨性，使本发明具有高刚度性能和大承载能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：如图1所示，本实施方式所述一种安全型无力耦合六维力传感器的每个支撑块3的下表面与下板2的上表面之间至少留有间隙L。本实施方式中当传感器装置不受力时，支撑块3与下板2间的间隙L随着传感器受力大小的变化也随之发生变化；当传感器受力超出限制范围时，支撑块3与下板2间的间隙L变为0，两者呈接触状态，此时阻止了弹性体的进一步变形，有效地保护了传感器的安全。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理

本发明中的信号处理系统以DSP芯片TMS320LF2407A为核心，实时采集六维力传感器受到的力信号，采集到的信号再经过放大、滤波和A/D转换传送到微处理器，微处理器通过通信接口将信息传递到上位机中。

本发明应用在双足步行仿人机器人的两个脚底时，当机器人行走时，两个传感器装置检测到地面作用力，并及时将力信息传递给主控制系统，当仿人机器人行走过程中脚部受到地面冲击时，易发生过载现象，当载荷超过传感器装置承载极限时，并不通过剪断安全销方式实施过载保护，而是通过传感器装置本身的保护结构阻止过大的载荷施加在测量F_y的弹性体6、测量F_z的弹性体5、测量F_x的弹性体4上，避免了传感器装置自身机构的破坏，同时传感器装置检测到力在一个短时间段内不再发生变化，而且保持在高位值状态，主控制系统检测到这一状态，便可立即做出补救措施，例如使机器人停止步行以避免机器人本体摔倒现象发生。

结合图6说明本发明测量力的原理：

下板2上设置一坐标系O-XYZ，坐标系原点O与下板2的上表面中心重合。导力杆7与各弹性体紧密接触，将力传递到三组弹性体上。弹性体受到的力分别用F_xi、F_yi、F_zi(i＝1，2，3，4)表示，且传感器结构决定了各力方向与下板2间均为垂直或平行关系，其中F_xi与中心坐标系O-XYZ的OX、OY、OZ轴间的公垂线距离分别记为L_xxi、L_xyi、L_xzi(i＝1，2，3，4)，类似地，F_yi与中心坐标系O-XYZ的OX、OY、OZ轴间的公垂线距离分别记为L_yxi、L_yyi、L_yzi(i＝1，2，3，4)，F_zi与中心坐标系O-XYZ的OX、OY、OZ轴间的公垂线距离分别记为L_zxi、L_zyi、L_zzi(i＝1，2，3，4)，则三个轴向分力分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=F_{x3}+F_{x4}-F_{x1}-F_{x2}\\ F_y=F_{y2}+F_{y3}-F_{y1}-F_{y4}\\ F_z=F_{z1}+F_{z2}+F_{z3}+F_{z4}\end{array}\right.$

三个分力矩分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_x=F_{y1}{L}_{\mathrm{yx}1}+F_{y4}{L}_{\mathrm{yx}4}+F_{z2}{L}_{\mathrm{zx}2}+F_{z3}{L}_{\mathrm{zx}3}-F_{y2}{L}_{\mathrm{yx}2}-F_{y3}{L}_{\mathrm{yx}3}-F_{z1}{L}_{\mathrm{zx}1}-F_{z4}{L}_{\mathrm{zx}4}\\ M_y=F_{x3}{L}_{\mathrm{xy}3}+F_{x4}{L}_{\mathrm{xy}4}+F_{z3}{L}_{\mathrm{zy}3}+F_{z4}{L}_{\mathrm{zy}4}-F_{x1}{L}_{\mathrm{xy}1}-F_{x2}{L}_{\mathrm{xy}2}-F_{z1}{L}_{\mathrm{zy}1}-F_{z2}{L}_{\mathrm{zy}2}\\ M_z=F_{y1}{L}_{\mathrm{yz}1}+F_{y3}{L}_{\mathrm{yz}3}+F_{x1}{L}_{\mathrm{xz}1}+F_{x3}{L}_{\mathrm{xz}3}-F_{y2}{L}_{\mathrm{yz}2}-F_{y4}{L}_{\mathrm{yz}4}-F_{x2}{L}_{\mathrm{xz}2}-F_{x4}{L}_{\mathrm{xz}4}\end{array}\right.$

从而得到六维力信息。

Claims (8)

1.一种安全型无力耦合六维力传感器，它包括上板(1)、下板(2)和两个支撑块(3)，两个支撑块(3)并排平行设置，上板(1)与下板(2)平行设置，两个支撑块(3)位于上板(1)与下板(2)之间，且每个支撑块(3)的上表面与上板(1)的下表面连接，其特征在于：所述一种安全型无力耦合六维力传感器还包括两个测量F_x的弹性体(4)、两个测量F_z的弹性体(5)、两个测量F_y的弹性体(6)和两根导力杆(7)，两个支撑块(3)的外侧且位于上板(1)、下板(2)之间的空间内各设有一个测量F_x的弹性体(4)、一个测量F_z的弹性体(5)、一个测量F_y的弹性体(6)，且测量F_x的弹性体(4)、测量F_z的弹性体(5)、测量F_y的弹性体(6)由外向内依次与支撑块(3)平行设置，两个测量F_x的弹性体(4)、两个测量F_z的弹性体(5)、两个测量F_y的弹性体(6)均安装在下板(2)的上表面上，每个导力杆(7)的两端为球面状，两个导力杆(7)并排平行设置在两个支撑块(3)之间且与两个支撑块(3)垂直设置，每个导力杆(7)的两端各穿过相应的支撑块(3)和一个测量F_z的弹性体(5)，每根导力杆(7)的两个呈球面状的端部与相应的一个测量F_x的弹性体(4)的内侧面保持点接触，每个导力杆(7)两端的侧面分别与相应的一个测量F_z的弹性体(5)、一个测量F_y的弹性体(6)保持线接触，每个测量F_x的弹性体(4)的两个外侧面各粘贴有四个第一应变片(4-3)，每个测量F_y的弹性体(6)的两端侧面上各粘贴有四个第三应变片(6-3)，每个测量F_z的弹性体(5)的两端侧面上各粘贴有两个第二应变片(5-4)。

2.根据权利要求1所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：每个测量F_x的弹性体(4)由长杆(4-1)和矩形板(4-2)组成，所述矩形板(4-2)的一条长边与长杆(4-1)的侧面固接成一体，所述矩形板(4-2)的侧面开有矩形通孔。

3.根据权利要求2所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：每个测量F_z的弹性体(5)由底板(5-1)、两个立板(5-2)和矩形长板(5-3)组成，矩形长板(5-3)和底板(5-1)并排平行设置，两个立板(5-2)并排平行设置在矩形长板(5-3)和底板(5-1)之间，且每个立板(5-2)的两端分别与矩形长板(5-3)、底板(5-2)固接成一体，所述矩形长板(5-3)侧面的中部开有长方形通孔，所述矩形长板(5-3)两端部的侧面开有长方形通孔。

4.根据权利要求3所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：每个测量F_y的弹性体(6)由底杆(6-1)和两个立柱(6-2)组成，两个立柱(6-2)并排平行设置在底杆(6-1)的上表面上，每个立柱(6-2)的上端面为曲面。

5.根据权利要求1、2、3或4所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：所述测量F_x的弹性体(4)、测量F_z的弹性体(5)、测量F_y的弹性体(6)均为Cr12MoV模具钢制作的测量F_x的弹性体(4)、测量F_z的弹性体(5)、测量F_y的弹性体(6)。

6.根据权利要求5所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：所述一种安全型无力耦合六维力传感器还包括锁紧杆(8)，所述锁紧杆(8)的两端通过调节螺栓与两个支撑块(3)的内侧连接。

7.根据权利要求1所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：所述导力杆(7)为GCr15轴承钢制作的导力杆(7)。

8.根据权利要求1所述一种安全型无力耦合六维力传感器，其特征在于：每个支撑块(3)的下表面与下板(2)的上表面之间至少留有间隙(L)。

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