CN103528726B

CN103528726B - 一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器

Info

Publication number: CN103528726B
Application number: CN201310533608.6A
Authority: CN
Inventors: 刘伊威; 孙永军; 刘宏; 邹添; 倪风雷; 胡志勇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: CN103528726A

Abstract

一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，它涉及一种六维力传感器，以解决现有六维力传感器采用螺钉方式来实现过载保护，间隙精度和过载后整个传感器的强度及刚度难以保证的问题。四个内梁和四个过载保护梁沿内环的外壁均布交错设置，四个外梁设置在四个内梁的外侧，四个外梁与四个内梁一一对应设置，每个过载保护梁的外侧对应设置有一个外环，相邻两个外环之间设置有一个外梁，外梁的两端各通过一个连接板与外环固定连接，保护销与过载保护梁通孔为过盈配合，保护销与外环工艺通孔为间隙配合，每个内梁的两侧面上各粘贴有两个电阻应变片，每个外梁上端面的两侧各粘贴有两个电阻应变片。本发明用于工业自动化、汽车、造船、军工或机器人上。

Description

一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器

技术领域

本发明涉及一种六维力传感器，具体涉及一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人技术越来越多的被应用于各种场合，如搬运、焊接、装配等。机器人技术的一个核心问题是智能化，六维力传感器因能同时感知三维空间中的全力信息，是作为空间机器人智能化特征的一个关键部件。六维力传感器的核心是弹性体的设计，弹性体的结构直接决定着整个传感器的性能，是传感器性能优劣的关键。

六维力传感器的过载保护直接关系到六维力传感器的使用及安全，一直以来是备受研究的焦点问题，但迄今没有一个较好的解决方法。如专利CN101419102A，CN101210850A等六维力传感器并没有过载保护功能。由中科院合肥智能所、东南大学和哈尔滨工业大学联合研制的SAFMS系列六维力传感器，采用螺钉方式来实现过载保护，但较难保证间隙精度和过载后整个传感器的强度及刚度。

现有的六维力传感器普遍存在灵敏度低、刚度小、维间耦合大、无过载保护等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有六维力传感器采用螺钉方式来实现过载保护，间隙精度和过载后整个传感器的强度及刚度难以保证的问题，而提供一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器。

本发明的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器包括内环、四个内梁、四个过载保护梁、四个外环、四个外梁、四个保护销、八个连接板和三十二个电阻应变片，四个内梁和四个过载保护梁沿内环的外壁均布交错设置，四个外梁设置在四个内梁的外侧，四个外梁与四个内梁一一对应设置，且外梁与其对应的内梁固定连接，每个过载保护梁的外侧对应设置有一个外环，相邻两个外环之间设置有一个外梁，外梁的两端各通过一个连接板与外环固定连接，每个外环的上下端面设有两个外环通孔，内环的上下端面上沿同一圆周均布设置八个内环通孔，且每个内环通孔位于相邻的外环与外梁之间，每个过载保护梁的内外端面上设有一个过载保护梁通孔，内环上设有与过载保护梁通孔相通的内环工艺通孔，每个外环上设有与过载保护梁通孔正对的外环工艺通孔，每个保护销的一端分别从对应的外环工艺通孔中穿过并固定在对应的过载保护梁通孔中，保护销与过载保护梁通孔为过盈配合，保护销与外环工艺通孔为间隙配合，每个内梁的两侧面上各粘贴有两个电阻应变片，且两侧面上的电阻应变片以内梁的中心线对称布置，每个外梁上端面的两侧各粘贴有两个电阻应变片，且两侧的电阻应变片以内梁的中心线对称布置。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明在过载保护梁及外梁上均开有与保护销配合的保护孔，且保护销与过载保护梁通孔为过盈配合、与外环工艺通孔为间隙配合，间隙的大小可以调整，由过载要求而定，因此，本发明采用保护销来实现过载保护，相比采用螺钉方式来实现过载保护，具有刚度大，间隙可调等优点。

二、本发明采用在十字梁弹性体上粘贴有32片电阻应变片，32片电阻应变片共组成八组全桥，其中有两组全桥作为冗余备份。采用全桥方式不仅可以提高灵敏度而且可以起到温度补偿的效果。

三、本发明X轴上的两个内梁和外梁相对于Y轴采用对称结构，Y轴上的两个内梁和外梁相对于X轴采用对称结构，这种对称结构消除了径向测力对轴向测力的干扰，提高了传感器的刚度和动态性能，减小了重复误差，保证了传感器的测量精度。

附图说明

图1是本发明的具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器的整体主视图；

图2是本发明的具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器的四分之三部分结构立体图；

图3是应变片R21、应变片R22、应变片R31和应变片R32组成的电桥图；

图4是应变片R19、应变片R20、应变片R25和应变片R26组成的电桥图；

图5是应变片R1、应变片R2、应变片R11和应变片R12组成的电桥图；

图6是应变片R7、应变片R8、应变片R13和应变片R14组成的电桥图；

图7是应变片R3、应变片R4、应变片R9和应变片R14组成的电桥图；

图8是应变片R5、应变片R6、应变片R15和应变片R16组成的电桥图；

图9是应变片R17、应变片R18、应变片R27和应变片R28组成的电桥图；

图10是应变片R23、应变片R24、应变片R29和应变片R30组成的电桥图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括内环1、四个内梁2、四个过载保护梁3、四个外环4、四个外梁5、四个保护销7、八个连接板6和三十二个电阻应变片8，四个内梁2和四个过载保护梁3沿内环1的外壁均布交错设置，四个外梁5设置在四个内梁2的外侧，四个外梁5与四个内梁2一一对应设置，且外梁5与其对应的内梁2固定连接，每个过载保护梁3的外侧对应设置有一个外环4，相邻两个外环4之间设置有一个外梁5，外梁5的两端各通过一个连接板6与外环4固定连接，每个外环4的上下端面设有两个外环通孔4-1，内环1的上下端面上沿同一圆周均布设置八个内环通孔1-1，且每个内环通孔1-1位于相邻的外环4与外梁5之间，每个过载保护梁3的内外端面上设有一个过载保护梁通孔3-1，内环1上设有与过载保护梁通孔3-1相通的内环工艺通孔1-2，内环工艺通孔1-2便于保护销取出，每个外环4上设有与过载保护梁通孔3-1正对的外环工艺通孔4-2，每个保护销7的一端分别从对应的外环工艺通孔4-2中穿过并固定在对应的过载保护梁通孔3-1中，保护销7与过载保护梁通孔3-1为过盈配合，保护销7与外环工艺通孔4-2为间隙配合，每个内梁2的两侧面上各粘贴有两个电阻应变片8，且两侧面上的电阻应变片8以内梁2的中心线对称布置，每个外梁5上端面的两侧各粘贴有两个电阻应变片8，且两侧的电阻应变片8以内梁2的中心线对称布置。32个应变片8组成八组测量电桥（见图3～图10），并实现将力信息转化成电压信号，通过标定、解耦，可以对六维力信息同时感知。每个外环4上的两个外环通孔4-1相对于外环工艺通孔4-2的轴线对称设置。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的外环工艺通孔4-2的内径D的确定：在有限元分析软件中分别计算出Fx、Fz、Mx和Mz的额定载荷下，保护销7相对于外环工艺通孔4-2沿径向方向的最大位移分别为S1、S2、S3和S4，取其中最小的位移设S0=min{S1、S2、S3、S4}，并设六维力传感器在该最小位移工况下的过载倍数为x，则保护销7的外径D0与最小位移S0的x倍的和为外环工艺通孔4-2的内径D，即D=D0+x*S0。Fx为沿X轴的切向力、Fz为沿Z轴的轴向力、Mx为绕X轴的弯矩、Mz为绕Z轴的扭矩。保护销7的外圆柱面与外环工艺通孔4-2的内圆柱面之间形成环状间隙，对于不同的工况，间隙的变化量也不同，使传感器既有工作余量，又可以避免由于过载而造成损坏。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：结合图2说明本实施方式，本实施方式的每个相对应的内环工艺通孔1-2、过载保护梁通孔3-1及外环工艺通孔4-2的轴线为同一条线。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的内环工艺通孔1-2的直径小于过载保护梁通孔3-1的直径，过载保护梁通孔3-1的直径小于外环工艺通孔4-2的直径。以便保护销与过载保护梁通孔3-1形成间隙，进而起到过载保护作用。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：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外梁5上的十六个电阻应变片8的粘贴位置：设外梁5上的电阻应变片8分别为应变片R1、应变片R2、应变片R3、应变片R4、应变片R5、应变片R6、应变片R7、应变片R8、应变片R9、应变片R10、应变片R11、应变片R12、应变片R13、应变片R14、应变片R15和应变片R16，上方的外梁5上由左至右依次粘贴有应变片R1、应变片R2、应变片R3和应变片R4，下方的外梁5上由右至左依次粘贴有应变片R9、应变片R10、应变片R11和应变片R12，左侧的外梁5上由下至上依次粘贴有应变片R13、应变片R14、应变片R15和应变片R16，右侧的外梁5上由上至下依次粘贴有应变片R5、应变片R6、应变片R7和应变片R8。应变片R1～R16的初始电阻值相等。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式是由应变片R3、R4、R9、R10组成一个惠斯通全桥，见图7，用于测量X方向弯矩，由应变片R5、R6、R15、R16组成一个惠斯通全桥，见图8，用于测量Y方向弯矩；由应变片R1、R2、R11、R12组成一个惠斯通全桥，见图5，由应变片R7、R8、R13、R14组成另一个惠斯通全桥，见图6，应变片R1、R2、R11、R12组成的惠斯通全桥和应变片R7、R8、R13、R14组成的惠斯通全桥均用于测量Z方向轴向力的电桥。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：结合图1说明本实施方式，本实施方式的内梁2上的十六个电阻应变片8的粘贴位置：设内梁2上的电阻应变片8分别为应变片R17、应变片R18、应变片R19、应变片R20、应变片R21、应变片R22、应变片R23、应变片R24、应变片R25、应变片R26、应变片R27、应变片R28、应变片R29、应变片R30、应变片R31和应变片R32，上方的内梁2左侧由上至下依次粘贴有应变片R31和应变片R32，上方的内梁2右侧由上至下依次粘贴有应变片R29和应变片R30，下方的内梁2左侧由上至下依次粘贴有应变片R21和应变片R22，下方的内梁2右侧由上至下依次粘贴有应变片R23和应变片R24，左侧的内梁2上方由左至右依次粘贴有应变片R17和应变片R18，左侧的内梁2下方由左至右依次粘贴有应变片R19和应变片R20，右侧的内梁2上方由左至右依次粘贴有应变片R27和应变片R28，右侧的内梁2下方由左至右依次粘贴有应变片R25和应变片R26。应变片R17～R32的初始电阻值相等。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式是由应变片R21、R22、R31、R32组成一个惠斯通全桥，见图3，用于测量X方向切向力；由应变片R19、R20、R25、R26组成一个惠斯通全桥，见图4，用于测量Y方向切向力；由应变片R17、R18、R27、R28组成一个惠斯通全桥，见图9，由应变片R23、R24、R29、R30组成另一个惠斯通全桥，见图10，应变片R17、R18、R27、R28组成的惠斯通全桥和应变片R23、R24、R29、R30组成的惠斯通全桥均用于测量Z方向扭矩的电桥。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的内环1、四个内梁2、四个过载保护梁3、四个外环4、四个外梁5和八个连接板6制成一体。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的内环1、内梁2、过载保护梁3、外环4、外梁5和连接板6的材质均为硬铝合金或不锈钢。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

Claims

1.一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：所述具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器包括内环(1)、四个内梁(2)、四个过载保护梁(3)、四个外环(4)、四个外梁(5)、四个保护销(7)、八个连接板(6)和三十二个电阻应变片(8)，四个内梁(2)和四个过载保护梁(3)沿内环(1)的外壁均布交错设置，四个外梁(5)设置在四个内梁(2)的外侧，四个外梁(5)与四个内梁(2)一一对应设置，且外梁(5)与其对应的内梁(2)固定连接，每个过载保护梁(3)的外侧对应设置有一个外环(4)，相邻两个外环(4)之间设置有一个外梁(5)，外梁(5)的两端各通过一个连接板(6)与外环(4)固定连接，每个外环(4)的上下端面设有两个外环通孔(4-1)，内环(1)的上下端面上沿同一圆周均布设置八个内环通孔(1-1)，且每个内环通孔(1-1)位于相邻的外环(4)与外梁(5)之间，每个过载保护梁(3)的内外端面上设有一个过载保护梁通孔(3-1)，内环(1)上设有与过载保护梁通孔(3-1)相通的内环工艺通孔(1-2)，每个外环(4)上设有与过载保护梁通孔(3-1)正对的外环工艺通孔(4-2)，每个保护销(7)的一端分别从对应的外环工艺通孔(4-2)中穿过并固定在对应的过载保护梁通孔(3-1)中，保护销(7)与过载保护梁通孔(3-1)为过盈配合，保护销(7)与外环工艺通孔(4-2)为间隙配合，每个内梁(2)的两侧面上各粘贴有两个电阻应变片(8)，且两侧面上的电阻应变片(8)以内梁(2)的中心线对称布置，每个外梁(5)上端面的两侧各粘贴有两个电阻应变片(8)，且两侧的电阻应变片(8)以内梁(2)的中心线对称布置。

2.根据权利要求1所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：外环工艺通孔(4-2)的内径D的确定：在有限元分析软件中分别计算出Fx、Fz、Mx和Mz的额定载荷下，保护销(7)相对于外环工艺通孔(4-2)沿径向方向的最大位移分别为S1、S2、S3和S4，取其中最小的位移设S0＝min{S1、S2、S3、S4}，并设六维力传感器在该最小位移工况下的过载倍数为x，则保护销(7)的外径D0与最小位移S0的x倍的和为外环工艺通孔(4-2)的内径D，即D＝D0+x*S0。

3.根据权利要求1或2所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：每个相对应的内环工艺通孔(1-2)、过载保护梁通孔(3-1)及外环工艺通孔(4-2)的轴线为同一条线。

4.根据权利要求3所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：内环工艺通孔(1-2)的直径小于过载保护梁通孔(3-1)的直径，过载保护梁通孔(3-1)的直径小于外环工艺通孔(4-2)的直径。

5.根据权利要求1、2或4所述具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：所述外梁(5)上的十六个电阻应变片(8)的粘贴位置：设外梁(5)上的电阻应变片(8)分别为应变片R1、应变片R2、应变片R3、应变片R4、应变片R5、应变片R6、应变片R7、应变片R8、应变片R9、应变片R10、应变片R11、应变片R12、应变片R13、应变片R14、应变片R15和应变片R16，上方的外梁5上由左至右依次粘贴有应变片R1、应变片R2、应变片R3和应变片R4，下方的外梁5上由右至左依次粘贴有应变片R9、应变片R10、应变片R11和应变片R12，左侧的外梁5上由下至上依次粘贴有应变片R13、应变片R14、应变片R15和应变片R16，右侧的外梁5上由上至下依次粘贴有应变片R5、应变片R6、应变片R7和应变片R8。

6.根据权利要求5所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：由应变片R3、R4、R9、R10组成一个惠斯通全桥，由应变片R5、R6、R15、R16组成一个惠斯通全桥，由应变片R1、R2、R11、R12组成一个惠斯通全桥，由应变片R7、R8、R13、R14组成另一个惠斯通全桥。

7.根据权利要求6所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：所述内梁(2)上的十六个电阻应变片(8)的粘贴位置：设内梁(2)上的电阻应变片(8)分别为应变片R17、应变片R18、应变片R19、应变片R20、应变片R21、应变片R22、应变片R23、应变片R24、应变片R25、应变片R26、应变片R27、应变片R28、应变片R29、应变片R30、应变片R31和应变片R32，上方的内梁(2)左侧由上至下依次粘贴有应变片R31和应变片R32，上方的内梁(2)右侧由上至下依次粘贴有应变片R29和应变片R30，下方的内梁(2)左侧由上至下依次粘贴有应变片R21和应变片R22，下方的内梁(2)右侧由上至下依次粘贴有应变片R23和应变片R24，左侧的内梁(2)上方由左至右依次粘贴有应变片R17和应变片R18，左侧的内梁(2)下方由左至右依次粘贴有应变片R19和应变片R20，右侧的内梁(2)上方由左至右依次粘贴有应变片R27和应变片R28，右侧的内梁(2)下方由左至右依次粘贴有应变片R25和应变片R26。

8.根据权利要求7所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：由应变片R21、R22、R31、R32组成一个惠斯通全桥，由应变片R19、R20、R25、R26组成一个惠斯通全桥，由应变片R17、R18、R27、R28组成一个惠斯通全桥，由应变片R23、R24、R29、R30组成另一个惠斯通全桥。

9.根据权利要求8所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：所述内环(1)、四个内梁(2)、四个过载保护梁(3)、四个外环(4)、四个外梁(5)和八个连接板(6)制成一体。

10.根据权利要求9所述一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，其特征在于：所述内环(1)、内梁(2)、过载保护梁(3)、外环(4)、外梁(5)和连接板(6)的材质均为硬铝合金或不锈钢。