CN104677543A

CN104677543A - 采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器

Info

Publication number: CN104677543A
Application number: CN201510046135.6A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 吕华溢; 秦岚; 刘京诚; 李敏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: CN104677543B

Abstract

本发明公开了一种采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，其属于多维力/力矩测量装置。包括带安装盘和输出电极插座的基座，六组被上下两片绝缘电极板夹住由两种切型压电石英晶片构成的交替均匀分布于该基座安装盘上的测力敏感单元，上盖，内侧密封套筒，信号引出线和绝缘填充材料；其中第一片测力敏感单元偏离X轴一个角度α；在绝缘电极板内侧有对应于石英晶片的成对电极，每对电极均由信号引出线与基座上的输出电极插座连接。本发明具有结构简单紧凑、无冗余敏感单元、刚度大、动态性能好、易于微小型化、制造成本低、对传感器输出信号调理电路需求少的优点，可用于智能机器人、自动化检测、航空航天、机械加工等多个领域。

Description

采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器

技术领域

本发明涉及力/力矩传感器，特别涉及六维力/力矩传感器，更具体的说是涉及一种采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器。

背景技术

六维力传感器是一种能够同时测量空间三维力和三维力矩信息的传感器，在智能机器人、自动化、机械加工、航空航天等领域都有广泛的应用需求。根据六维力传感器对被测量力(力矩)的感知方式，可从传感器敏感机理出发将其以划分为两大类：一类是间接测量型，采用在弹性体上安装敏感元件(如应变片、力敏电阻等)测量六维力引起的弹性体形变来间接得到表示六维力信息的输出信号；此类传感器的设计由于弹性体的存在，使得六维力传感器的结构设计复杂，制作工艺要求高，不利于微小型化，固有频率较低并且存在不易解耦的非线性维间耦合干扰。另一类是直接测量型，采用的敏感元件可直接感知通过刚体传力机构传递的被测力(力矩)，并输出表示六维力信息的输出信号；由于此类传感器不存在“弹性体结构”，因而可基本解决前一类传感器的诸多缺点，公开号为CN101750173A和CN101285723的专利所要求保护的设计即为此类型传感器；但是这两个专利所提的技术方案仍存在使用测力敏感单元过多，后端信号调理电路需求数量过多的缺点，在减小传感器体积、降低制作难度和成本等方面仍然不够好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用最少测力敏感单元，无需解耦运算，动态特性好，结构更加简单且易于微小型化，制作工艺难度低和对后端信号调理电路需求少的压电式六维力/力矩传感器。

解决所述技术问题的方案是这样一种压电式六维力/力矩传感器，包括内部带有安装盘和外部带有输出电极插座的基座，安装在该基座内部安装盘上的测力敏感单元，夹住该测力敏感单元的上下两片绝缘电极板；紧压在上片绝缘电极板之上的上盖，连接两片绝缘电极板上的电极与基座上输出电极插座的信号引出线，用于固定和绝缘隔离信号引出线的绝缘填充材料，在上盖和基座的内孔处连接二者的内侧密封套筒；其中，所述测力敏感单元由若干片石英晶片构成，这些石英晶片均匀分布在传感器基座安装盘上的三维直角坐标系X、Y平面内一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上；在所述的两片绝缘电极板内侧的成对电极与各石英晶片相对应。其改进之处是，构成所述测力敏感单元的石英晶片有六片，所述绝缘电极板内侧的成对电极有六对；这六片石英晶片中有三片为Y(0°)切型石英晶片，另三片为X(0°)切型石英晶片，第一片Y(0°)切型石英晶片(j1)布置在所述参考圆(ck)的圆周上，该晶片中心点与所述工作三维直角坐标系原点的连线偏离X轴的角度为α，其余的五片石英晶片按照切型不同依次交替均匀放置在所述参考圆的圆周上，使得相邻两片石英晶片对所述工作三维直角坐标系原点的夹角为60°，并且切型相异；在三片Y(0°)切型石英晶片各自的晶片三维直角坐标系中，其Y轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其X轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在三片X(0°)切型石英晶片各自的晶片三维直角坐标系中，其X轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其Y轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在所述上下两片绝缘电极板内侧的六对电极构成六个信号输出端，并分别通过信号引出线与各自对应的一个输出电极插座连接。

根据该传感器的结构设计和基本力学原理决定了表征被测力(力矩)的六个输出信号按照如下方法生成：被测力(力矩)在X、Y方向的力分量通过传感器上盖传递给分布在传感器基座安装盘上位于三维直角坐标系XY平面的三片Y(0°)切型石英晶片，并在对应的信号输出端产生相应输出值，并且被测力(力矩)在X、Y方向的力分量与被测力(力矩)作用点和三片X(0°)切型石英晶片上表面二者之间的距离产生一个力矩，使得三片X(0°)切型石英晶片对应的信号输出端也产生相应输出值；被测力(力矩)绕X、Y方向的力矩分量通过传感器上盖传递给分布在传感器基座安装盘上位于三维直角坐标系XY平面的三片X(0°)切型石英晶片，并在对应的信号输出端产生相应输出值，并且被测力(力矩)绕X、Y方向的力矩分量同时产生一个与传感器基座安装盘上的三维直角坐标系XY平面平行的力通过传感器上盖传递给三片Y(0°)切型石英晶片，并在对应的信号输出端也产生相应输出值；被测力(力矩)在Z方向的力分量通过传感器上盖传递给分布在传感器基座安装盘上位于三维直角坐标系XY平面的三片X(0°)切型石英晶片，并在对应的信号输出端产生相应输出值，而三片Y(0°) 切型石英晶片对应的信号输出端没有输出值；被测力(力矩)绕Z方向的力矩分量通过传感器上盖传递给分布在传感器基座安装盘上位于三维直角坐标系XY平面的三片Y(0°)切型石英晶片，并在对应的信号输出端产生相应输出值，而三片X(0°)切型石英晶片对应的信号输出端没有输出值。将六个信号输出端的输出值与该六维力/力矩传感器的标定矩阵右乘，即可得到被测力(力矩)在六个方向的力分量和力矩分量的量值。

从方案中可以看出，本发明与现有技术相比，仅用六组石英晶片作为测力敏感单元，就可构成一个能同时测量力和力矩的六维力/力矩传感器，比现有的技术减少四分之一的石英晶片使用量，并且同步减少了相应数量的后端信号调理电路需求；具有力学模型简单，算法简便的特点，并在保持现有技术的优点之外，由于测力敏感单元数量的减少，从而进一步简化了结构、减小了体积、降低了制作难度和制造成本，易于使压电式六维力/力矩传感器实现微小型化。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明的结构示意图；

图2——图1的俯视图；

图3——本发明中各石英晶片的布置图；

图4——本发明的一块绝缘电极板上的电极布置图；

具体实施方式

采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器(参考图1、2、3、4)，包括内部带有安装盘91和外部带有输出电极插座13的基座9，安装在该基座9内部安装盘91上的测力敏感单元j0，夹住该测力敏感单元j0的上下两片绝缘电极板141、142；紧压在上片绝缘电极板141之上的上盖10，连接两片绝缘电极板141、142上的电极与基座9上输出电极插座13的信号引出线12，用于固定和绝缘隔离信号引出线12的绝缘填充材料11，在上盖10和基座9的内孔处连接二者的内侧密封套筒15；其中，所述测力敏感单元j0由若干片石英晶片构成，这些石英晶片均匀分布在传感器基座安装盘91上的三维直角坐标系X、Y平面内一个Z轴通过其圆心的参考圆ck的圆周上；在所述的两片绝缘电极板141、142内侧的成对电极与各石英晶片相对应。

在本发明中，构成所述测力敏感单元j0的石英晶片(j1～j6)有六片(参考图3)，所述绝缘电极板141、142内侧的成对电极(d1～d6)有六对(参考图4，由于各对电极是镜像对称的，故在图4中仅绘制了一片绝缘电极板及其电极)；这六片石英晶片中有三片为Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，另三片为X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，它们交替均匀分布在传感器基座安装盘91上；第一片Y(0°)切型石英晶片(j1)布置在所述参考圆(ck)的圆周上，该晶片中心点与所述工作三维直角坐标系原点的连线偏离X轴的角度为α，其余的五片石英晶片按照切型不同依次交替均匀放置在所述参考圆的圆周上，使得相邻两片石英晶片对所述工作三维直角坐标系原点的夹角为60°，并且切型相异；在三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)各自的晶片三维直角坐标系中，其Y轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其X轴沿所述参考圆(ck)的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)各自的晶片三维直角坐标系中，其X轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其Y轴沿所述参考圆ck的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在所述上下两片绝缘电极板141、14)内侧的六对电极(d1～d6)构成六个信号输出端(Q₁～Q₆)，并分别通过信号引出线12与各自对应的一个输出电极插座13连接。

根据该传感器的结构设计和基本力学原理，在使用时被测力(力矩)在X、Y方向的力分量(F_x、F_y)通过传感器上盖10传递给分布在传感器基座安装盘91上位于三维直角坐标系XY平面的三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，并在对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)产生相应输出值，并且被测力(力矩)在X、Y方向的力分量(F_x、F_y)与被测力(力矩)作用点和三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)上表面二者之间的距离产生一个力矩，使得三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)也产生相应输出值；被测力(力矩)绕X、Y方向的力矩分量(M_x、M_y)通过传感器上盖10传递给分布在传感器基座安装盘91上位于三维直角坐标系XY平面的三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，并在对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)产生相应输出值，并且被测力(力矩)绕X、Y方向的力矩分量(M_x、M_y)同时产生一个与传感器基座安装盘(91)上的三维直角坐标系XY平面平行的力通过传感器上盖(10)传递给三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，并在对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)也产生相应输出值；被测力(力矩)在Z方向的力分量(F_z)通过传感器上盖10传递给分布在传感器基座安装盘91上位于三维直角坐标系XY平面的三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，并在对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)产生相应输出值，而三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)没有输出值；被测力(力矩)绕Z方向的力矩分量(M_z)通过传感器上盖10传递给分布在传感器基座安装盘(91)上位于三维直角坐标系XY平面的三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，并在对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)产生相应输出值，而三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)没有输出值。将六个信号输出端(Q₁～Q₆)的输出值与该六维力/力矩传感器的标定矩阵右乘，即可得到被测力(力矩)在六个方向的力分量(F_x、F_y、F_z)和力矩分量(M_x、M_y、M_z)的量值。

本领域的技术人员清楚，除用信号引出线12把两片绝缘电极板141、142上的各个信号输出端(Q₁～Q₆)与对应的六个输出电极插座13连接之外，由于输出信号为电荷信号的原因，在每个插座13之外，还应当与对应的电荷放大器连接，将电荷信号转换为电压信号，然后将电压信号采集进入计算机通过与传感器的标定矩阵右乘即可得到被测力在六个方向的量值。

为使披露更加清楚，现把本发明中的采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器的标定矩阵建立过程描述如下：

标定矩阵表示了六维力/力矩传感器的输出信号和被测力在六个方向的量值二者之间的关系，可先分别六次施加单一不同方向的已知单位力或力矩，每次得到一组由六个信号输出值构成的列向量，这六组列向量构成一个六阶方矩阵；按照该六阶矩阵每一列所对应的已知单位力(力矩)给出一个六阶对角矩阵，该六阶对角矩阵主对角线上的元素为所施加的已知单位力(力矩)；将传感器输出值构成的六阶方矩阵求逆后右乘六阶对角矩阵就可得到标定矩阵。为提高所建立标定矩阵的精度，可使用已为众知的最小二乘法。

在本具体实施方式中，上下绝缘电极板141和142为由聚四氟乙烯材料制作的圆环板，六对电极(d1～d6)是用电镀方式镀在圆环板上的；该聚四氟乙烯圆环板的外径不大于安装盘91的外径，它的中间有让内侧密封套筒15通过的通孔。在各信号引线12之间填充有使它们各自固定并相互绝缘的绝缘填充材料11。该绝缘填充材料11是包括聚四氟乙烯填充材料在内的各种绝缘填充料。

Claims

1.采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，包括内部带有安装盘(91)和外部带有输出电极插座(13)的基座(9)，安装在该基座(9)内部安装盘(91)上的测力敏感单元(j0)，夹住该测力敏感单元(j0)的上下两片绝缘电极板(141、142)；紧压在上片绝缘电极板(141)之上的上盖(10)，连接两片绝缘电极板(141、142)上的电极与基座(9)上输出电极插座(13)的信号引出线(12)，用于固定和绝缘隔离信号引出线(12)的绝缘填充材料(11)，在上盖(10)和基座(9)的内孔处连接二者的内侧密封套筒(15)；其中，所述测力敏感单元(j0)由若干片石英晶片构成，这些石英晶片均匀分布在传感器基座安装盘(91)上的三维直角坐标系X、Y平面内一个Z轴通过其圆心的参考圆(ck)的圆周上；在所述的两片绝缘电极板(141、142)内侧的成对电极与各石英晶片相对应。

2.根据权利要求1所述的采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，其特征在于：构成所述测力敏感单元(j0)的石英晶片(j1～j6)有六片，所述绝缘电极板(141、142)内侧的成对电极(d1～d6)有六对；这六片石英晶片中有三片为Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，另三片为X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，第一片Y(0°)切型石英晶片(j1)布置在所述参考圆(ck)的圆周上，该晶片中心点与所述工作三维直角坐标系原点的连线偏离X轴的角度为α，其余的五片石英晶片按照切型不同依次交替均匀放置在所述参考圆(ck)的圆周上，使得相邻两片石英晶片对所述工作三维直角坐标系原点的夹角为60°，并且切型相异；在三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)各自的晶片三维直角坐标系中，其Y轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其X轴沿所述参考圆(ck)的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)各自的晶片三维直角坐标系中，其X轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其Y轴沿所述参考圆(ck)的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在所述上下两片绝缘电极板(141、142)内侧的六对电极(d1～d6)构成六个信号输出端(Q₁～Q₆)，并分别通过信号引出线(12)与各自对应的一个输出电极插座(13)连接。

3.根据权利要求1和2所述的采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，其特征在于根据该传感器的结构设计和基本力学原理决定了表征被测力(力矩)的六个输出信号按照如下方法生成：被测力(力矩)在X、Y方向的力分量(F_x、F_y)通过传感器上盖(10)传递给分布在传感器基座安装盘(91)上位于三维直角坐标系XY平面的三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，并在对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)产生相应输出值，并且被测力(力矩)在X、Y方向的力分量(F_x、F_y)与被测力(力矩)作用点和三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)上表面二者之间的距离产生一个力矩，使得三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)也产生相应输出值；被测力(力矩)绕X、Y方向的力矩分量(M_x、M_y)通过传感器上盖(10)传递给分布在传感器基座安装盘(91)上位于三维直角坐标系XY平面的三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，并在对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)产生相应输出值，并且被测力(力矩)绕X、Y方向的力矩分量(M_x、M_y)同时产生一个与传感器基座安装盘(91)上的三维直角坐标系XY平面平行的力通过传感器上盖(10)传递给三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，并在对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)也产生相应输出值；被测力(力矩)在Z方向的力分量(F_z)通过传感器上盖(10)传递给分布在传感器基座安装盘(91)上位于三维直角坐标系XY平面的三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，并在对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)产生相应输出值，而三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)没有输出值；被测力(力矩)绕Z方向的力矩分量(M_z)通过传感器上盖(10)传递给分布在传感器基座安装盘(91)上位于三维直角坐标系XY平面的三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，并在对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅)产生相应输出值，而三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆)没有输出值。

4.根据权利要求1、2和3所述的采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，其特征在于得到被测力(力矩)六个方向的量值可通过以下方法：直接将六个信号输出端(Q₁～Q₆)的输出值与该六维力/力矩传感器的标定矩阵右乘，即可得到被测力(力矩)在六个方向的力分量(F_x、F_y、F_z)和力矩分量(M_x、M_y、M_z)的量值。