CN103940544B - 双十字梁组合式指关节六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双十字梁组合式指关节六维力传感器，由上十字梁弹性体和下十字梁弹性体组合而成，上十字梁弹性体包括四根上弹性梁、一个上中心加载轴、四个上固定台和四根上浮动梁，下十字梁弹性体包括一个四根下弹性梁、一个下中心加载轴、一个固定框架和四个下固定台。上下十字梁弹性体通过一一对应的四个固定台固定，组合成双十字梁结构。本发明与现有的多维力传感器相比更加微型化，具有较高的灵敏度，适用于机器人指关节领域的多维力测量。

Description

双十字梁组合式指关节六维力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种六维力传感器，具体涉及一种双十字梁组合式指关节六维力传感器。

背景技术

六维力传感器测量的是直角坐标六维空间的六个力或力矩分量（Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz），由于它能够同时感知空间多维力和力矩信息，能更加全面地反映空间力信息，因而非常适合作为感知元件应用于机器人领域。智能机器人的感知系统是机器人执行作业的基础与前提，而多维力传感器正是感知系统中最为重要的一种传感器。自上世纪70年代问世以来，多维力传感器首先在智能机器人领域得到应用，随着机器人技术的发展，多维力传感器也扮演着越来越重要的作用。

基于十字形弹性梁结构的应变式多维力传感器是该领域最常用的一种，它具有结构简单紧凑、灵敏度高、维间串扰小等优点。该类型的多维力传感器被广泛应用于机器人腕部，并且有较好的效果。随着机器人技术的发展，仿人机器人和精细作业机器人越来越成为研发热点，机械手的精细控制越来越依赖于微型多维力传感器。然而，传统结构的多维力传感器却不能达到这样的微型化要求。这主要由于传统的结构上，弹性体上所粘贴的应变片数量较多，受限于应变片大小和贴片工艺，多维力传感器的尺寸达到了瓶颈。

针对机器人灵巧手的应用，国内外都有相关微型多维力传感器的研究。目前，市场上可以使用的最小的六维力传感器是ATI公司的NANO17型号的传感器（直径17mm，高度14.5mm）。这样的尺寸已经满足多维力传感器的微型化要求，可以应用到机器人指关节。但是该传感器需要较庞大的信号调理电路和数字采集系统，这些模块使得它在集成度极高的智能机器人上的应用受到极大的限制。正在研制的微型多维力传感器也有很多种，但是大多数结构复杂，采用的是微机械加工工艺（MEMS），并且需要进行集成式应变计的定制，因此这种方案成本很高。因此，从结构上改进传感器，研制一种新型结构的多维力传感器，使之在不需要昂贵的MEMS和集成应变计工艺的基础上，实现体积上的微型化以及外部电路的灵活化，将会具有重要的现实意义。

发明内容

技术问题：本发明提供一种在满足多维测量的前提下实现微型化，大幅缩小六维力传感器体积，可应用于机器人指关节等领域的双十字梁组合式指关节六维力传感器。

技术方案：本发明的双十字梁组合式指关节六维力传感器，包括上十字梁弹性体和连接设置在上十字梁弹性体下方的下十字梁弹性体。上十字梁弹性体包括四根相交于一点的上弹性梁、连接设置在四根上弹性梁交点上方的上中心加载轴、设置在上弹性梁外侧端部的四根上浮动梁、设置在两相邻的上浮动梁之间并与其端部连接的四个上固定台，四根上弹性梁两两成90°相交，四个上固定台对称分布在上中心加载轴的四周；下十字梁弹性体包括四根相交于一点的下弹性梁、连接设置在四根下弹性梁交点下方的下中心加载轴、环绕四根下弹性梁的圆环形固定框架、均匀设置在固定框架内壁上的四个下固定台；四根下弹性梁两两成90°相交，每根下弹性梁的端部都与固定框架的内壁相连，下固定台与相邻的两根下弹性梁等距设置；四个上固定台与四个下固定台一一对应设置，并固定连接成双十字梁结构，上弹性梁与下弹性梁之间设置有间隙。

本发明的一种优选方案中，上弹性梁的横截面呈正方形；下弹性梁的横截面呈矩形，下弹性梁为截面矩形的长边水平设置的薄片状。

本发明的双十字梁组合式指关节六维力传感器中，上弹性梁上均对称设置有位于两立面水平中线上的两个第一应变片，两根同轴的上弹性梁上分别对称设置有位于上下两面水平中线上的两个第二应变片，另外两根同轴的上弹性梁上不设置第二应变片；两根同轴的上弹性梁上分别对称设置有位于两立面水平中线上的两个第三应变片，第三应变片位于第一应变片的外侧，另外两根同轴的上弹性梁上不设置第三应变片；下弹性梁上分别对称设置有位于上下两面水平中线上的两个第四应变片。

本发明的双十字梁组合式指关节六维力传感器中，两根同轴的上弹性梁上设置的四个第一应变片组成一组应变片组，应变片组中的四个第一应变片与上中心加载轴的中轴线等距设置；两根同轴的上弹性梁上设置的四个第二应变片组成一组应变片组，应变片组中的四个第二应变片与上中心加载轴的中轴线等距设置；两根同轴的上弹性梁上设置的四个第三应变片组成一组应变片组，应变片组中的四个第三应变片与上中心加载轴的中轴线等距设置；两根同轴的下弹性梁上设置的四个第四应变片组成一组应变片组，应变片组中的四个第四应变片与下中心加载轴的中轴线等距设置。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）实现了六维力传感器的微型化。本发明采用了组合式双十字梁结构，通过一一对应的四个固定台将两个十字梁式弹性体组合为一体，将所需的六维力和力矩分开测量，其中，上十字梁弹性体测量空间x,y,z方向的力和z方向的力矩；下十字梁弹性体测量空间x,y方向上的力矩。这种方式避免了将所有应变片贴覆在同一个弹性体上，贴片引起的空间需求几乎减半，从而突破了应变式多维力传感器的体积瓶颈。

（2）加工成本低，传统加工工艺就可以完成。本发明仍然采用传统的精密机械加工就能完成的弹性体结构，应变计粘贴也采用传统方式，不需要专门的MEMS工艺和集成应变计工艺。因此，本发明不仅大大降低了成本，还扩大了应用范围，不因没有加工场所而无法研制和应用。

（3）提高了力矩测量的灵敏度。普通的多维力传感器往往测量力矩的灵敏度低于测力的灵敏度。本发明中，x,y方向的力矩由下十字梁弹性体测量，它的弹性梁呈薄片状，形变更加明显，从而提高了力矩测量的灵敏度。

（4）双加载轴的设计，尤其适用于机器人指关节等领域。本发明的上下弹性体组合后，上下各有一个中心加载轴，从而可以同时从两个方向感应空间力和力矩，测量叠加后的力和力矩，无需单端固定。这种测量方式尤其适用于关节，结合本发明微型化的优势，在机器人指关节领域有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的传感器整体结构示意图。

图2为本发明的传感器上十字梁弹性体结构示意图。

图3为本发明的传感器下十字梁弹性体结构示意图。

图4为本发明的传感器上十字梁弹性体贴片位置示意图。

图5为本发明的传感器的第一应变片位置示意图

图6为本发明的传感器的第二应变片位置示意图

图7为本发明的传感器的第三应变片位置示意图

图8为本发明的传感器下十字梁弹性体贴片位置示意图（正面）。

图9为本发明的传感器下十字梁弹性体贴片位置示意图（背面）。

图10为本发明的传感器应用于机器人指关节的装配示意图。

图中有：上十字梁弹性体1、下十字梁弹性体2、上弹性梁11、上中心加载轴12、上固定台13、上浮动梁14、第一应变片15、第二应变片16、第三应变片17、下弹性梁21、下中心加载轴22、固定框架23、下固定台24、第四应变片25。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

如图1所示，本发明的双十字梁组合式指关节六维力传感器包括均为整体式结构的上十字梁弹性体1和下十字梁弹性体2。如图2所示，上十字梁弹性体1包括四根上弹性梁11、一个上中心加载轴12、四个上固定台13以及四根上浮动梁14。四根上弹性梁11相交于一点，两两相交成90°，横截面为正方形；上中心加载轴12连接在上弹性梁11的交点上方；四根上浮动梁14设置在上弹性梁11的外侧端部；四个上固定台13分别设置在两相邻的上浮动梁14之间。四个上固定台13均匀地分布在上中心加载轴12的四周。如图3所示，下十字梁弹性体2包括四根相交于一点的下弹性梁21、连接设置在四根下弹性梁21交点上方的下中心加载轴22、环绕四根下弹性梁21的圆环形固定框架23、均匀设置在固定框架23内壁上的四个下固定台24。四根下弹性梁21两两成90°相交，其横截面呈矩形，下弹性梁21为界面矩形的长边水平设置的薄片状；每根下弹性梁21的端部都与固定框架23的内壁相连；下固定台24与相邻的两根下弹性梁21等距设置。

四个上固定台13和四个下固定台24一一对应设置，固定连接成双十字梁结构。如图1所示，上下固定台上均设有通孔，组合后形成四组同轴心孔，用螺栓将上下弹性体固定组合。组合后，上弹性梁11与下弹性梁21之间设置有间隙，也就是说，组合后，上十字梁弹性体和下弹性体除了四个固定台的接触，其他部分均不接触。根据目前的应变片大小和贴片工艺，预计组合后的传感器的直径可以在20mm左右，长度在10mm～30mm。

本发明为应变式多维力传感器，在本发明的相应位置上贴覆应变片后，通过电气连接将应变片组成桥式电路可以测量空间六维力和力矩。由于全桥电路具有灵敏度高、非线性误差小的优点，本发明六个维度的测量各采用一个全桥电路测量。因此，本发明的传感器上，共贴覆有六组应变片组，每组应变片组包括四个应变片，每组应变片组测量空间一个维度的力或力矩。

为了测量空间六维力和力矩，需要基于传感器结构定义一个空间直角坐标系。该直角坐标系的原点位于传感器的立体几何中心，x轴和y轴分别平行于一根上弹性梁11（同时也平行于一根下弹性梁21），z轴与上中心加载轴12的旋转轴重合（同时也与下中心加载轴22的旋转轴重合）。下面将结合所定义的空间直角坐标系，阐述本发明的贴片位置，从而说明本发明的测量原理和使用方法。

如图4所示，在上弹性梁11的相应位置上，贴覆有：第一应变片15，第二应变片16，第三应变片17。结合图5所示，第一应变片15对称设置在每根上弹性梁11两立面的水平中线上。每条水平中线上贴覆一个应变片，从而本发明需要贴覆8个第一应变片15。两根同轴的上弹性梁11上设置的四个第一应变片15组成一组应变片组，从而本发明的第一应变片15可以组成2组应变片组。根据所定义的空间直角坐标系，贴覆在y向的两根上弹性梁11上的一组应变片组用于测量空间x方向的力；贴覆在x向的两根上弹性梁11上的一组应变片组用于测量空间y方向的力。

结合图6所示，第二应变片16对称设置在两根同轴的上弹性梁11的上下两面的水平中线上，另外两根同轴的上弹性梁11上不设置第二应变片16。每条水平中线贴覆一个应变片，从而本发明需要贴覆4个第二应变片16，这四个应变片组成一组应变片组，用于测量空间z方向的力。

结合图7所示，第三应变片17对称设置在两根同轴的上弹性梁11两立面的水平中线上，第三应变片17位于第一应变片15的外侧，另外两根同轴的上弹性梁11上不设置第三应变片17。每条水平中线贴覆一个应变片，从而本发明需要贴覆4个第三应变片17，这四个应变片组成一组应变片组，用于测量空间z方向的力矩。

如图8、图9所示，在下弹性梁21的相应位置上，贴覆有第四应变片25。第四应变片25对称设置在每根下弹性梁21上下两面的水平中线上。每条水平中线上贴覆一个应变片，从而本发明需要贴覆8个第四应变片25。两根同轴的下弹性梁21上设置的四个第四应变片25组成一组应变片组，从而本发明的第四应变片25可以组成2组应变片组。根据所定义的空间直角坐标系，贴覆在y向的两根下弹性梁21上的一组应变片组用于测量空间x方向的力矩；贴覆在x向的两根下弹性梁21上的一组应变片组用于测量空间y方向的力矩。

图10是本发明的传感器应用于机器人指关节的装配示意图。传感器的上下弹性体的中心加载轴分别从上下两个方向延伸而出，在中心加载轴上连接法兰盘，即可和外部机构相连接。图10中，上弹性体的中心加载轴与机器人的指关节相连接；下弹性体的中心加载轴与机器人的手掌相连接。由于传感器的尺寸较小，正好与机械指大小相符，因此可以很好地测量机器人指关节的六维力和力矩。除此之外，图中每根手指的指节和指节间，也可以安装本发明的传感器。

Claims (3)

1.一种双十字梁组合式指关节六维力传感器，其特征在于，该传感器包括上十字梁弹性体（1）和连接设置在所述上十字梁弹性体（1）下方的下十字梁弹性体（2）；

所述上十字梁弹性体（1）包括四根相交于一点的上弹性梁（11）、连接设置在所述四根上弹性梁（11）交点上方的上中心加载轴（12）、设置在上弹性梁（11）外侧端部的四根上浮动梁（14）、设置在两相邻的上浮动梁（14）之间并与其端部连接的四个上固定台（13），所述的四根上弹性梁（11）两两成90°相交，所述的四个上固定台（13）对称分布在上中心加载轴（12）的四周；

所述下十字梁弹性体（2）包括四根相交于一点的下弹性梁（21）、连接设置在所述四根下弹性梁（21）交点下方的下中心加载轴（22）、环绕四根下弹性梁（21）的圆环形固定框架（23）、均匀设置在所述固定框架（23）内壁上的四个下固定台（24）；所述的四根下弹性梁（21）两两成90°相交，每根下弹性梁（21）的端部都与固定框架（23）的内壁相连，下固定台（24）与相邻的两根下弹性梁（21）等距设置；

所述四个上固定台（13）与四个下固定台（24）一一对应设置，并固定连接成双十字梁结构，上弹性梁（11）与下弹性梁（21）之间设置有间隙；

所述上弹性梁（11）上均对称设置有位于两立面水平中线上的两个第一应变片（15），两根同轴的上弹性梁（11）上分别对称设置有位于上下两面水平中线上的两个第二应变片（16），另外两根同轴的上弹性梁（11）上不设置第二应变片（16）；两根同轴的上弹性梁（11）上分别对称设置有位于两立面水平中线上的两个第三应变片（17），所述第三应变片（17）位于第一应变片（15）的外侧，另外两根同轴的上弹性梁（11）上不设置第三应变片（17）；

所述下弹性梁（21）上分别对称设置有位于上下两面水平中线上的两个第四应变片（25）。

2.根据权利要求1所述的双十字梁组合式指关节六维力传感器，其特征在于，所述上弹性梁（11）的横截面呈正方形；所述下弹性梁（21）的横截面呈矩形，下弹性梁（21）为截面矩形的长边水平设置的薄片状。

3.根据权利要求1或2所述的双十字梁组合式指关节六维力传感器，其特征在于，所述两根同轴的上弹性梁（11）上设置的四个第一应变片（15）组成一组应变片组，所述应变片组中的四个第一应变片（15）与上中心加载轴（12）的中轴线等距设置；

两根同轴的上弹性梁（11）上设置的四个第二应变片（16）组成一组应变片组，所述应变片组中的四个第二应变片（16）与上中心加载轴（12）的中轴线等距设置；

两根同轴的上弹性梁（11）上设置的四个第三应变片（17）组成一组应变片组，所述应变片组中的四个第三应变片（17）与上中心加载轴（12）的中轴线等距设置；

两根同轴的下弹性梁（21）上设置的四个第四应变片（25）组成一组应变片组，所述应变片组中的四个第四应变片（25）与下中心加载轴（22）的中轴线等距设置。