CN105092134B - 一种组合式三轴力传感器及计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种组合式三维力传感器，它由机械结构组成；所述机械结构由上平台、中间连接组件、下平台组件以及复数个一维压力传感器构成；一种组合式三轴力传感器计算方法，它有三大该步骤：步骤一：压力传感器标定后，标定不受外界力时力传感器的读数记为零；步骤二：中间连接件上的一组压力传感器读出数值，其中这组中的左传感器读数为α1、右传感器的读数为α2，则由两传感器的读数差和传感器的机械位置力臂，求出上平台绕中间连接件微转动的力矩；同理，求出中间连接件绕下平台转动的力矩；步骤三：由于可移动轴承座将垂直于下平台的力传递给下平台上的两个压力传感器，因此求这组传感器的和再除以二，得到垂直于下平台方向的力的数值。

Description

一种组合式三轴力传感器及计算方法
技术领域
本发明涉及一种组合式三轴力传感器及计算方法，具体来说，是一种用于机器人力腕的由多个一维力传感器组合构成的三轴力传感器。属于多维力传感器技术领域。
背景技术
多维力传感器可以检测空间多个方向的力或者力矩信息，自上世纪70年代问世以来，首先在智能机器人领域得到应用，近年来在航空、航天、机械装配与制造等领域也获得了广泛的应用。机器人添加力传感器后具有初步感觉功能，可以适应环境进行作业，在一些高精度的装配作业及其它一些危险场合完全能够代替人工。因此，力传感器是机器人不可缺少的一种重要感觉元件。目前，多维力传感器的设计步骤一般为：弹性体设计、贴片位置及组桥方式设计、标定及解耦。设计和加工工艺比较复杂。
发明内容
本发明采用成品的一维压力传感器通过机械连接组合的方法构成三维力传感器，通过简单的一维压力传感器的组合测量三维力，避免了弹性体的设计和加工。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
1、一种组合式三维力传感器，它由机械结构组成；
本发明所述机械结构由上平台、中间连接组件、下平台组件以及多个一维压力传感器构成。其位置连接关系是：下平台组件上分两组对称的固定四个压力传感器、其中一组传感器上加两个可与下平台底座相对上下移动的可移动轴承座，并在可移动轴承座上加上预紧力使轴承紧压在这组压力传感器上。然后将中间连接组件上的两个轴与可移动轴承座里的轴承连接。预紧力通过控制螺钉的预紧力矩来控制。中间连接组件上装有一组对称分布的两个压力传感器。中间连接组件上有一对轴承座，上平台伸出的杆与中间连接组件的轴承连接，上平台的旋转力矩可以直接传递到中间连接组件上的两个压力传感器上。机器人力腕可以和上、下平台通过螺纹连接。该上平台是一个圆板，圆板圆周上每隔90°对称的伸出同等厚度的四个杆，四个杆分为两对，一对端部为轴，另一对为矩形，矩形下部设有两个圆孔，正好压在压力传感器测力柱上。该中间连接组件包括中间连接件201和上轴座202及压力传感器103；该中间连接件是一个矩形的框架。框架是一个矩形容器，四个侧面切开八个孔洞以减少重量。框架上其中一个侧面的横梁上设有半圆状便于安装轴承。矩形框架另一侧面有轴伸出。矩形框架底面设有通孔，通孔的大小略大于所选压力传感器的螺纹孔尺寸。该上轴座由两个矩形板及半圆板组合而成，矩形板上设有连接通孔；该下平台组件包括下平台底座101、可移动轴承座102、压力传感器103和挡板104。该下平台底座是由两中间端设有突出的半圆矩形板及四角设有四块立板组合而成，突出的半圆矩形板，用以放置压力传感器，四块立板上侧有四个螺纹孔用以安装固定挡板；该可移动轴承座是由一个圆形及矩形的板料组合而成，矩形板料两侧切有V型凹槽，这个V型凹槽保证该可移动轴承座只能上下移动。该压力传感器按需选购。该挡板是其上设有一通孔的矩形板料。
2、本发明一种组合式三轴力传感器计算方法，通过一维力传感器解算出X、Y方向的力矩和Z方向的力。该方法具体步骤如下：
步骤一：压力传感器标定后，标定不受外界力时力传感器的读数记为零。
步骤二：中间连接件上的一组压力传感器读出数值，其中这组中的左传感器读数为α1、右传感器的读数为α2，则由两传感器的读数差和传感器的机械位置力臂，求出上平台绕中间连接件微转动的力矩。同理，求出中间连接件绕下平台转动的力矩。
步骤三：由于可移动轴承座可以将垂直于下平台的力传递给下平台上的两个压力传感器，因此求这组传感器的和再除以二，可以得到垂直于下平台方向的力的数值。
3、本发明的优点在于：
1、本发明没有采用一般意义上的弹性体，并通过弹性体的应力-应变分析的方法计算空间的多维力的方法，提供了多维力传感器设计的一种新的思路；
2、本发明采用一维压力传感器的组合方法，简单易用，便于加工。
附图说明
图1为本发明力传感器结构示意图。
图2为本图1中1指下平台组件结构示意图。
图3为图1中2中间连接组件结构示意图。
图4为图1中3上平台结构示意图。
图5为图2中101下平台底座结构示意图。
图6为图3中201中间连接件结构示意图。
图7为图3中202上轴座示意图。
图8为图2中102可移动轴承座示意图。
图9为图2中103压力传感器示意图。
图10为图2中104挡板示意图。
图11为计算模型图。
图12为计算模型图。
图中：
1-下平台组件 2-中间连接组件 3-上平台 101-下平台底座102-可移动轴承座103-压力传感器 104-挡板 201-中间连接件202-上轴座。
具体实施方式
见图1——图12，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1，本发明所述图1中机械结构包括下平台组件1、中间连接组件2、上平台3及多个一维压力传感器103。其位置关系是：中间连接件组件2上的轴与下平台组件1上通过轴承配合连接，并通过压力传感器103顶住中间连接组件2，上平台3上的轴与中间连接件组件2通过轴承连接，并通过压力传感器103顶住上平台3。
本发明所述下平台组件1如图2所示，下平台组件1包括下平台底座101、可移动轴承座102、压力传感器103、挡板104。其位置关系是：可移动轴承座102的凸起和下平台底座101零件的凹槽构成一个可上下滑动的滑轨，压力传感器103其中的一组位于可移动轴承座102零件的下面，顶住可移动轴承座102，承担可移动轴承座102向下的压力，挡板104压住可移动轴承座102，限制可移动轴承座102向上的移动，并通过螺钉和下平台底座101连接。压力传感器103的另一组相对于下平台底座101的轴承形成的轴线对称分布。
本发明中间连接件组件2如图3所示，中间连接组件2包括中间连接件201和上轴座202以及下平台组件1中的压力传感器103组成。压力传感器103相对于轴承轴线对称分布，上轴座202与中间连接件201通过螺钉固定连接，方便上平台3的安装，螺钉通过可控预紧力的扳手拧上。
本发明所述计算方法如图11所示，按照本发明的机械结构，X、Y方向的力矩分别由上面所述中间连接组件2上关于轴承轴线对称分布的压力传感器103和下平台组件1上关于轴承轴线对称分布的压力传感器103测量。按照图11所示的计算模型，力矩的计算可由下面公式求得：
M＝(F1-F2)*l/2。Z方向的力由下平台组件1中可移动轴承座102下的两个压力传感器测得，由图12的计算模型可得，Z方向的力可由公式F＝(F1+F2)/2求得，这样可以消除由于转矩带来的影响。

Claims (2)

1.一种组合式三维力传感器，其特征在于：它由机械结构组成；
所述机械结构由上平台、中间连接组件、下平台组件以及复数个一维压力传感器构成；
该上平台是一个圆板，圆板圆周上每隔90°对称的伸出同等厚度的一个杆，共四个杆，该四个杆分为两对，一对端部为轴，另一对为矩形，矩形下部设有两个圆孔，正好压在中间连接组件上的一维压力传感器测力柱上；
该中间连接组件包括中间连接件(201)和上轴座(202)及两个一维压力传感器(103)；该中间连接件是一个矩形的框架，框架是一个矩形容器，四个侧面切开八个孔洞以减少重量；框架上其中两个相对的侧面的横梁上设有半圆状便于安装轴承，矩形框架另两个相对的侧面有轴伸出，矩形框架底面设有通孔，通孔的大小稍大于所选一维压力传感器的螺纹孔尺寸；该上轴座由两个矩形板及半圆板组合而成，矩形板上设有连接通孔；该中间连接组件上装有一组对称分布的所述两个一维压力传感器；中间连接组件上有一对轴承座，上平台伸出的两个轴与中间连接组件的一对轴承连接，上平台的旋转力矩直接传递到中间连接组件上的两个一维压力传感器上；
该下平台组件包括下平台底座(101)、可移动轴承座(102)、四个一维压力传感器(103)和挡板(104)；该下平台底座是由两中间端设有突出的半圆矩形板及四角设有四块立板组合而成，突出的两个半圆矩形板，用以放置两个一维压力传感器，四块立板上侧有四个螺纹孔用以安装固定挡板；下平台底座上分两组对称的固定该四个一维压力传感器，其中一组一维压力传感器上加两个能与下平台底座相对上下移动的可移动轴承座，并在可移动轴承座上加上预紧力使轴承紧压在这组一维压力传感器上，然后将中间连接组件上的两个轴与可移动轴承座里的轴承连接，预紧力通过控制螺钉的预紧力矩来控制；该可移动轴承座是由一个圆形及矩形的板料组合而成，矩形板料两侧切有V型凹槽，这个V型凹槽保证该可移动轴承座只能上下移动；该挡板是其上设有一通孔的矩形板料；
机器人力腕和上平台、下平台组件通过螺纹连接。
2.一种根据权利要求1所述的一种组合式三维力传感器的计算方法，通过一维压力传感器解算出X、Y方向的力矩和Z方向的力，该方法具体步骤如下：
步骤一：一维压力传感器标定后，标定不受外界力时力一维压力传感器的读数记为零；
步骤二：中间连接件上的一组一维压力传感器读出数值，其中这组中的左一维压力传感器读数为α1、右一维压力传感器的读数为α2，则由两个一维压力传感器的读数差和一维压力传感器的机械位置力臂，求出上平台绕中间连接件微转动的力矩；同理，求出中间连接件绕下平台组件转动的力矩；
步骤三：由于可移动轴承座将垂直于下平台组件的力传递给下平台组件上的两个一维压力传感器，因此求这组一维压力传感器的和再除以二，得到垂直于下平台组件方向的力的数值。
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