CN105651446A - 六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六维力传感器，包括弹性本体和罩在弹性本体上的封装壳体构成，所述弹性本体包括上平台、下平台以及连接在所述上平台和所述下平台之间的弹性柱，所述封装壳体具有顶盖和从顶盖边缘向下延伸的裙部，所述顶盖与所述上平台连接，所述下平台的周面上沿周向间隔分布有至少两个过载保护孔，所述裙部内壁具有突出伸入所述过载保护孔的过载保护栓，所述过载保护栓与所述过载保护孔之间具有形成过载行程的间隙。本发明的六维力传感器具有过载保护的功能，可以避免弹性本体受到大于量程的力或力矩而遭到不可恢复的损坏。

Description

六维力传感器

技术领域

本发明属于力传感器技术领域，尤其涉及一种六维力传感器。

背景技术

六维力传感器能够测量三维空间的全力信息，广泛应用于智能机器人、自动控制、航空航天、仿生运动等研究领域，在工业生产、国防建设和科学技术发展中发挥着重要的作用。

在六维力传感器研究中，力敏元件的结构设计是力与力矩传感器的核心关键问题。

国外学者科尔(Keer)和奴因(Nguyen)以及法瑞西(Ferraresi)等人提出并研究了斯帝瓦特(Stewart)结构六维力传感器，但是由于他沿用真实的球铰作为力传感器的运动副，从而限制了它的应用范围，很难用于机械人手腕上。国内也有一些学者研究六维力传感器，北大的陈滨探讨了斯帝瓦特平台结构六维力传感器的设计方法。虽然国内外学者提出并研究了多种六维力传感器的结构，并有多种有关专利技术，例如：六自由度力与力矩传感器(中国专利：CN2165435Y),机器人用六维力与力矩传感器(中国专利：CN2066134U),但是这些技术存在的主要问题是有的结构复杂、有的尺寸大、有的刚度低、有的灵敏度低、有的标定困难、有的制造成本高等。而国内研究的力传感器大都采用国外已有的结构。

为此，燕山大学发明了一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器(中国发明专利：CN1229915A)，这种传感器的力敏元件是上平台和下平台由6个弹性体和12个弹性铰链相连接而成，它是一次加工成型，实现了力敏元件非组装结构，从而使得斯帝瓦特结构微型化，具有尺寸小、制造成本低、刚度好、误差小、灵敏度高等优点，可应用于机器人手腕、手指上和其它使用微型力与力矩传感器的场合。

但是在实际应用中发现，六维力传感器会由于受力或受力矩过大导致损坏。

另外，现有的六维力传感器只能从传感器侧面或底面中心引出信号线，不能满足传感器不同应用场合安装时走线的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有过载保护功能的六维力传感器，以克服现有技术存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种六维力传感器，包括弹性本体和罩在弹性本体上的封装壳体构成，所述弹性本体包括上平台、下平台以及连接在所述上平台和所述下平台之间的弹性柱，所述封装壳体具有顶盖和从顶盖边缘向下延伸的裙部，所述顶盖与所述上平台连接，其特征在于：所述下平台的周面上沿周向间隔分布有至少两个过载保护孔，所述裙部内壁具有突出伸入所述过载保护孔的过载保护栓，所述过载保护栓与所述过载保护孔之间具有形成过载行程的间隙。

在本发明优选实施方式中，所述下平台的周面上沿周向均匀间隔分布有六个过载保护孔，所述裙部内壁也相应具有六个沿周向均匀间隔分布的位于各个所述过载保护孔中的过载保护栓。

在本发明优选实施方式中，所述过载保护孔为圆孔，所述过载保护栓为过载保护螺栓，所述过载保护螺栓的直径小于圆孔的直径；所述封装壳体周面上具有螺纹孔，所述过载保护螺栓从所述下平台的外部紧固在所述螺纹孔中并伸入所述过载保护孔中。

所述弹性柱有六个，呈对称的stewart并联结构的形式位于所述上平台和所述下平台之间。

所述弹性柱的上端和下端分别通过圆弧形状的柔性铰链与所述上平台和所述下平台连接。

所述顶盖的中心具有封装连接定位槽，顶盖的四周具有执行器连接孔。

在本发明的技术方案中，由于在下平台上设置有过载保护孔，且在封装壳体的裙部设置有伸入过载保护孔中的过载保护栓，过载保护栓与过载保护孔之间具有形成过载行程的间隙。当传感器的封装壳体受到的力或力矩大于其量程时，过载保护栓与弹性本体的过载保护孔的内壁接触，产生过载保护力或力矩，避免弹性本体受到大于量程的力或力矩而遭到不可恢复的损坏。过载保护的倍数可通过调节过载保护栓与过载保护孔的直径差实现，直径差越大，过载保护倍数越大。

在本发明的一实施例中，所述下平台下方连接有走线台，所述走线台的周面具有信号线孔。

为实现既能够从传感器底部中心引出信号线，也能够从传感器底部侧面引出信号线，以适应安装在不同的安装面上，在本发明的另一实施例中，所述下平台下方具有安装盘，所述安装盘通过螺钉连接有法兰，所述法兰中心具有轴向出线孔，所述法兰盘的下表面具有与轴向出线孔连通的径向出线槽。

所述径向出线槽有两个，位于同一直径上。

所述法兰对称具有两个安装连接耳，所述安装连接耳上具有安装面连接孔。

采用上述技术方案，本发明的六维力传感器具有过载保护的功能，可以避免弹性本体受到大于量程的力或力矩而遭到不可恢复的损坏，另外还具有适应安装在不同的安装面上的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

图1为实施例1的立体结构示意图；

图2为实施例1的俯视图；

图2-1为图2中D-D向剖面示意图；

图3为弹性本体的结构示意图；

图4为封装壳体的结构示意图；

图5为实施例2的弹性本体与法兰装配的结构示意图；

图6为实施例2的弹性本体与法兰装配的能够看见底部的结构示意图；

图7为实施例2的弹性本体的结构示意图；

图8为实施例2的能够看见上表面的法兰结构示意图；

图9为实施例2的能够看见下表面的法兰结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的六维力传感器，包括弹性本体100和罩在所述弹性本体100上的封装壳体200。

结合图3所示，弹性本体100为整体为圆台形状，为一体加工而成，包括上平台1、下平台2、六个弹性柱6、走线台4、弹性铰链7。上平台1和下平台2均为圆环状结构，上平台1和下平台2的外缘直径相同，走线台4的外缘直径大于下平台2的外缘直径使得下平台2和走线台4之间形成台阶结构。六个弹性柱6呈对称的stewart并联结构的形式位于上平台1和下平台2之间，连接柱6的上端和下端分别通过圆弧形的弹性铰链7与上平台1和下平台2进行连接。

上平台1的端面上沿圆周方向均匀间隔分布有6个封装连接螺纹孔5。下平台2的周面上沿圆周方向均匀间隔分布有6个过载保护孔8，过载保护孔8为圆形孔。走线台4的周面上还设有与下平台2内部连通的信号线孔3。

结合图4所示，封装壳体200也为圆台形状，由顶盖210和裙部220构成，顶盖210的中心具有封装连接定位槽11，顶盖210的端面环绕封装连接定位槽11在同一圆周均匀间隔分布有六个执行器连接孔10和沉头螺纹孔9，执行器连接孔10和沉头螺纹孔9交替布置。

再如图2、图2-1所示，封装壳体200罩在弹性本体100上，在沉头螺纹孔9和封装连接螺纹孔5内设置螺钉使得顶盖210和上平台1连接在一起，裙部220向下延伸接近走线台4，裙部220的下端面和走线台4的上表面之间具有间隙。结合图4，裙部封装壳体200的裙部220的周面上对应过载保护孔8也沿圆周方向均匀间隔分布有六个过载保护螺纹孔12。过载保护螺栓121从下平台2的外部紧固在过载保护螺纹孔12中，该过载保护螺纹121的直径小于过载保护孔8的直径并伸入过载保护孔8中，这样，过载保护螺栓121就形成了突出裙部220内壁并伸入过载保护孔8中的过载保护栓，过载保护螺纹121和过载保护孔8之间的间隙就形成过载行程。

由于在下平台2上设置有过载保护孔8，且在封装壳体200的裙部220设置有伸入过载保护孔8中的过载保护栓，过载保护栓与过载保护孔8之间具有形成过载行程的间隙。当传感器的封装壳体受到的力或力矩大于其量程时，过载保护栓与弹性本体的过载保护孔的内壁接触，产生过载保护力或力矩，避免弹性本体受到大于量程的力或力矩而遭到不可恢复的损坏。过载保护的倍数可通过调节过载保护栓与过载保护孔的直径差实现，直径差越大，过载保护倍数越大。采用六对过载保护孔和过载保护栓，任何一个方向出现过载情况均可以起到保护作用。采用圆孔和螺栓作为过载保护孔和过载保护栓具有加工方便，保护控制精准的优点。

实施例2

如图5和图6所示，实施例2与实施例1不同之处在于：在下平台2的下方连接有安装盘400以及与安装盘400连接的法兰500。

如图7所示，该安装盘400的中心具有容信号线600穿出的轴向走线孔401，中心区域具有环绕轴向走线孔401的定位腔402，安装盘400的下表面还均匀间隔环绕定位腔402分布有六个机器人端安装螺纹孔403。

如图8所示，法兰500中心具有轴向出线孔501，法兰500的上表面在轴向出线孔501的边缘具有突出上表面的定位凸环502。定位凸环502与安装盘400上的定位腔402配合可以实现法兰500与安装盘400的连接定位。

结合图9所示，法兰500的下表面具有沿径向开设的径向出线槽503，径向出线槽503与轴向出线孔501连通。在本实施例中，径向出线槽503有两条，开设在同一直径上。

另外，与径向出线槽503相垂直的直径方向上，法兰500还对称具有两个安装连接耳504，该安装连接耳504上开设有安装面连接孔505。

在本实施例中，安装盘400相对于法兰500要薄，在本实施例中，安装盘400的厚度为1mm，法兰500的厚度为7mm。法兰500上还具有沉头螺钉孔506，法兰500通过螺钉与安装盘400连接。

其它结构与实施例1相同，这里不再累述。

采用上述结构，解决了现有力传感器只能从传感器本体侧面或底面中心引出信号线的缺点，从而满足传感器不同应用场合安装时走线的要求。法兰与传感器本体通过螺钉连接。当传感器需要从侧面走线布置时，通过连接法兰可实现信号线从底部径向走线槽中布线；当传感器需要从底面中心布线时，通过拆卸法兰即可实现，且传感器整体厚度也可降低。

通过上述详细描述，可以看出本发明的六维力传感器具有过载保护的功能，可以避免弹性本体受到大于量程的力或力矩而遭到不可恢复的损坏，另外还具有适应安装在不同的安装面上的优点。

Claims (9)

1.一种六维力传感器，包括弹性本体和罩在弹性本体上的封装壳体构成，所述弹性本体包括上平台、下平台以及连接在所述上平台和所述下平台之间的弹性柱，所述封装壳体具有顶盖和从顶盖边缘向下延伸的裙部，所述顶盖与所述上平台连接，其特征在于：所述下平台的周面上沿周向间隔分布有至少两个过载保护孔，所述裙部内壁具有突出伸入所述过载保护孔的过载保护栓，所述过载保护栓与所述过载保护孔之间具有形成过载行程的间隙。

2.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述下平台的周面上沿周向均匀间隔分布有六个过载保护孔，所述裙部内壁也相应具有六个沿周向均匀间隔分布的位于各个所述过载保护孔中的过载保护栓。

3.根据权利要求2所述的六维力传感器，其特征在于：所述过载保护孔为圆孔，所述过载保护栓为过载保护螺栓，所述过载保护螺栓的直径小于圆孔的直径；所述下平台周面上具有过载保护孔，所述过载保护螺栓从所述下平台的外部紧固在所述螺纹孔中并伸入所述过载保护孔中。

4.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述弹性柱有六个，呈对称的stewart并联结构的形式位于所述上平台和所述下平台之间。

5.根据权利要求1或4所述的六维力传感器，其特征在于：所述弹性柱的上端和下端分别通过圆弧形状的柔性铰链与所述上平台和所述下平台连接。

6.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述顶盖的中心具有封装连接定位槽，顶盖的四周具有执行器连接孔。

7.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述下平台下方连接有走线台，所述走线台的周面具有与下平台内部连通的信号线孔。

8.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述下平台下方具有安装盘，所述安装盘通过螺钉连接有法兰，所述法兰中心具有轴向出线孔，所述法兰盘的下表面具有与轴向出线孔连通的径向出线槽。

9.根据权利要求8所述的六维力传感器，其特征在于：所述法兰对称具有两个安装连接耳，所述安装连接耳上具有安装面连接孔。