CN103528746A - 一种十字梁式六维力传感器弹性体 - Google Patents
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Abstract
一种十字梁式六维力传感器弹性体，它涉及一种六维力传感器弹性体，以解决现有六维力传感器弹性体存在灵敏度低、维间耦合大的问题。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，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，过载保护梁通孔和外环工艺通孔与内环工艺通孔相通。本发明用于工业自动化、汽车、造船、军工或机器人上。
Description
技术领域
本发明涉及一种六维力传感器弹性体，具体涉及一种十字梁式六维力传感器弹性体。
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灵敏度、刚度、线性度、迟滞、重复性、固有频率等性能，是传感器性能优劣的关键。
目前，六维力传感器弹性体多为竖梁形式。现有的竖梁式弹性体存在着灵敏度低、维间耦合大等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有六维力传感器弹性体存在灵敏度低、维间耦合大的问题，而提供一种十字梁式六维力传感器弹性体。
本发明的是通过以下技术方案来实现的：
一种十字梁式六维力传感器弹性体包括内环、四个内梁、四个过载保护梁、四个外环、四个外梁和八个连接板，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。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明采用连接板连接外梁和外环，当作用有垂直于连接板厚度方向的切向力Fx或Fy时，沿连接板的长度、高度方向的刚度远大于厚度方向的刚度，导致与My或Mx方向的耦合效果小，因此，降低了维间耦合。由于Mz与Fz的作用相对独立，因此它们的耦合效果也较小。通过增大弹性体的高度可以提高传感器整体刚度，但会因此降低Fx、Fy、Mz的灵敏度，为此将内梁的高度减小，这样在增加弹性体整体高度的同时，保持内梁高度不变，既保证了传感器的灵敏度，低维间耦合，也提高了传感器的整体刚度。
二、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是本发明的十字梁式六维力传感器弹性体的整体结构立体图，图2是本发明的十字梁式六维力传感器弹性体的四分之三部分结构立体图。
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和八个连接板6，四个内梁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。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的四个内梁2和四个过载保护梁3与内环1制成一体。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1和图2说明本实施方式，本实施方式的四个外梁5与四个内梁2制成一体。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1和图2说明本实施方式，本实施方式的四个外环4和八个连接板6与四个外梁5制成一体。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和图2说明本实施方式，本实施方式的每个外环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。这样设计可以确保载荷（力或力矩）的传递更加均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：结合图1和图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的直径等于或小于外环工艺通孔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五相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每个外梁5与其对应的内梁2垂直设置。这样便于加工，并使得内梁2与外梁5的应力分布对称，以提高灵敏度。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七相同。
工作原理：
⑴、以测量切向力Fx为例：切向力Fx施加于内环1的上端面，连接板6长度方向（即连接板6沿内环1圆周方向）刚度大于其厚度方向（即连接板6的内外方向）刚度。因此，与Fx方向平行的内梁2、外梁5和连接板6均看做刚性梁，与Fx方向垂直的内梁2和连接板6均看做柔性梁，与Fx方向垂直的内梁2可看成悬臂梁。在内梁2上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Fx，同理可测切向力Fy。
⑵、以测量轴向力Fz为例：轴向力Fz施加于内环1的上端面，通过内梁2传递到外梁5上，连接板6高度方向（沿Z轴方向）的刚度大于其厚度方向（即连接板6的内外方向）刚度。因此内梁2看作刚性梁，连接板6看作柔性梁，而把外梁5看作悬臂梁。轴向力通过均布的四个内梁2传递到外梁5上，外梁5发生弹性变形，在外梁5上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Fz。
⑶、以测量弯矩Mx为例：弯矩Mx施加于内环1的上端面。通过内梁2传递到外梁5上。连接板6高度方向（沿Z轴方向）刚度大于其厚度方向（即连接板6的内外方向）刚度。弯矩Mx通过均布的四个内梁2及两个长度方向与X轴垂直的外梁5传递到长度方向与X轴平行的外梁5上，这两个外梁5发生弹性变形，在外梁5上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Mx，同理可测My。
⑷、以测量扭矩Mz为例：扭矩Mz施加于内环1上端面。连接板6长度方向和高度方向（沿Z轴方向）刚度大于其厚度方向（即连接板6的内外方向）刚度。扭矩Mz实际作用等效于大小相等的一对力偶，假设该力偶两个作用力的方向平行于X轴，因此长度方向与X轴方向平行的内梁2、外梁5、连接板6均看做刚性梁，而长度方向与Y轴方向平行的连接板6看做柔性梁，此时与Y轴方向平行的内梁2看成悬臂梁。在内梁2上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Mz。
Claims (8)
1.一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：所述十字梁式六维力传感器弹性体包括内环（1）、四个内梁（2）、四个过载保护梁（3）、四个外环（4）、四个外梁（5）和八个连接板（6），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）。
2.根据权利要求1所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：四个内梁（2）和四个过载保护梁（3）与内环（1）制成一体。
3.根据权利要求1或2所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：四个外梁（5）与四个内梁（2）制成一体。
4.根据权利要求3所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：四个外环（4）和八个连接板（6）与四个外梁（5）制成一体。
5.根据权利要求1、2或4所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：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。
6.根据权利要求5所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：所述内环工艺通孔（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）的直径等于或小于外环工艺通孔（4-2）的直径。
7.根据权利要求6所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，其特征在于：每个外梁（5）与其对应的内梁（2）垂直设置。
8.根据权利要求8所述一种十字梁式六维力传感器弹性体，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。
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