CN106124113B - 一种新型六维力和力矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型六维力和力矩传感器，包括中心凸台、设置在中心凸台外侧的筒形外壳、用于连接所述中心凸台与所述筒形外壳的12根弹性梁，12根所述弹性梁上根据需要分别布有应变片，所述中心凸台的底部开设有用于安装信号处理模块的安装孔。本发明具有结构自解耦，刚度大，固有频率高，线性度、重复性和迟滞理想的特点，可以测量较大的力矩(50N·m)。此外，通过各个所述弹性梁的尺寸变化可以设计成不同量程和灵敏度的传感器。

Description

一种新型六维力和力矩传感器
技术领域
本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种新型六维力和力矩传感器。
背景技术
多维力和力矩传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力或力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力和力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。多维力和力矩传感器广泛应用于机器人、工业自动化、军工等领域中。
金属箔贴片式六维传感器由于技术成熟，相比压电式和半导体式传感器稳定性能好，对工作环境要求不高，因而被广泛应用。但是在现有技术的金属箔贴片式六维传感器存在很多缺陷：
现有的多维力传感器的结构本身不能实现结构自解耦，某些多维力传感器某一个或某几个方向的力(力矩)需要通过其他方向的输出和结构的尺寸进行推算，这会使系统误差增大；现有的具有三梁结构的多维力传感器，虽然结构相对简单，但不能实现结构自解耦；此外，上述的金属箔贴片式六维传感器测量力矩的量程普遍偏低，其主要原因为力矩的增大对弹性体的强度和刚度都有较高的要求，对连接用的销钉或其他定位零件也有很高的强度和刚度要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种新型六维力和力矩传感器，具有能够测量大力矩，结构自解耦，强度高，刚度大，固有频率高，能够进行动态测试，分辨力和精度高等特点。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
本发明的新型六维力和力矩传感器，其特征在于：包括中心凸台、设置在中心凸台外侧的筒形外壳和用于连接所述中心凸台与所述筒形外壳的12根弹性梁，12根所述弹性梁上分别布有应变片，所述中心凸台的底部开设有用于安装信号处理模块的安装孔；
12根所述弹性梁分为第一梁组和第二梁组，所述第一梁组包括8个尺寸和结构相同的第一梁体，所述第二梁组包括4个尺寸和结构相同的第二梁体，8个所述第一梁体分为四组分别设置在所述中心凸台的前端、后端、左端和右端，4个所述第二梁体分别设置在同一组的两个所述第一梁体之间。
进一步，所述中心凸台为方柱形结构。
进一步，所述第一梁体的顶部高于所述第二梁体的顶部，所述第一梁体的底部低于所述第二梁体的底部，且所述第一梁体和所述第二梁体的中心截面在同一平面。
进一步，所述第一梁体为L形结构，所述第一梁体包括靠近所述中心凸台的第一贴片区和靠近所述筒形外壳的第一协调区。
进一步，所述第二梁体为三段式结构，包括两侧对称开设有两个凹槽的第二贴片区，以及靠近所述中心凸台和靠近所述筒形外壳的第二协调区。
进一步，所述应变片有24个，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，且24个所述应变片每4个组成一个全桥电路，每个所述全桥电路分别与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端连接终端，则：
所述R1与所述R2、所述R3与所述R4、所述R5与所述R6、所述R7与所述R8、所述R9与所述R10、所述R11与所述R12分别对称布置于所述第一梁体的上表面和下表面的所述第一贴片区，所述R15与所述R16、所述R13与所述R14分别关于所述中心凸台的竖向中心线对称布置于所述第一梁体的两外侧，所述R17与所述R18、所述R19与所述R20、所述R21与所述R22、所述R23与所述R24分别对称布置于所述第二梁体的上表面和下表面的所述第二贴片区。
进一步，所述中心凸台的上端设有方形推拔，所述方形推拔与连接法兰配合，所述方形推拔的顶部设有一个M10螺纹孔，所述螺纹孔用于所述方形推拔与所述连接法兰的紧固连接。
本发明的新型六维力和力矩传感器，12根所述弹性梁上分布的多个应变片根据需要各自组成全桥式检测电路，耦合方向桥路中的4个所述应变片桥臂电压相互抵消，可实现结构自解耦；当所述中心凸台作用力和力矩时，12根所述弹性梁均会产生拉压变形或者弯曲变形，从而引起各全桥式电路输出的电压信号发生变化，通过对这些信号的分析处理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本发明具有结构自解耦，刚度大，固有频率高，线性度、重复性和迟滞理想的特点，可以测量较大的力矩(50N·m)。此外，通过各个所述弹性梁的尺寸变化可以设计成不同量程和灵敏度的传感器。
附图说明
图1为本发明的新型六维力和力矩传感器的未贴应变片时的结构示意图；
图2为本发明的新型六维力和力矩传感器的贴有应变片时的结构示意图；
图3为本发明新型六维力和力矩传感器的电路原理框图。
如图1、图2、图3，筒形外壳-1、中心凸台-2、第一梁体-31、第一贴片区-311、第一协调区-312、第二梁体-32、第二贴片区-321、第二协调区-322、应变片-4、信号处理模块-5、方形推拔-6。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1至图3所示：本实施例所述的新型六维力和力矩传感器，包括中心凸台2、设置在中心凸台2外侧的筒形外壳1和用于连接所述中心凸台2与所述筒形外壳1的12根弹性梁，12根所述弹性梁上分别布有应变片4，所述中心凸台2的底部开设有用于安装信号处理模块5的安装孔(图中未示出)，在安装时将信号处理模块5通过所述安装孔安装在所述中心凸台2的下端；
具体的，12根所述弹性梁分为第一梁组和第二梁组，所述第一梁组包括8个尺寸和结构相同的第一梁体31，所述第二梁组包括4个尺寸和结构相同的第二梁体32，8个所述第一梁体31分为四组分别设置在所述中心凸台2的前端、后端、左端和右端，4个所述第二梁体32分别设置在同一组的两个所述第一梁体31之间，实现了力、力矩的测量的结构形式，同时提高了结构强度、刚度和固有频率。
本实施例所述的新型六维力和力矩传感器，12根所述弹性梁上分布的多个应变片4根据需要组成全桥式检测电路，耦合方向桥路中的4个所述应变片4桥臂电压相互抵消，可实现结构自解耦；当所述中心凸台2作用力和力矩时，12根所述弹性梁均会产生拉压变形或者弯曲变形，从而引起各全桥式电路输出的电压信号发生变化，通过对这些信号的分析处理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本发明具有结构自解耦，刚度大，固有频率高，线性度、重复性和迟滞理想的特点，可以测量较大的力矩(50N·m)。此外，通过各个所述弹性梁的尺寸变化可以设计成不同量程和灵敏度的传感器。
为了提高弹性体刚度，作为上述技术方案的进一步改进，所述中心凸台2为方柱形结构。
为了提高弹性体强度，作为上述技术方案的进一步改进，所述第一梁体31的顶部高于所述第二梁体32的顶部，所述第一梁体31的底部低于所述第二梁体32的底部。
为了便于使用和提高弹性体强度，作为上述技术方案的进一步改进，所述中心凸台2的上端设有方形推拔6，所述方形推拔6具有较大的承载能力，所述方形推拔6与连接法兰(图中未示出)配合，具体的，所述方形推拔6的顶部设有一个M10螺纹孔，所述螺纹孔用于所述方形推拔6与所述连接法兰的紧固连接，所述方形推拔6与所述连接法兰配合可以实现无间隙运动，能够用于动态测量(如往复运动)，同时所述方形推拔6与连接法兰装配方式刚度和强度均满足大力矩作用工况。
在本实施例中，所述第一梁体31为L形结构，所述第一梁体31包括靠近所述中心凸台2的第一贴片区311和靠近所述筒形外壳1的第一协调区312；
所述第二梁体32为三段式结构，包括两侧对称开设有两个凹槽的第二贴片区321，以及靠近所述中心凸台和靠近所述筒形外壳的第二协调区322。
具体的，所述第一协调区312和所述第二协调区322分别是为了提高所述第一贴片区311和所述第二贴片区321的应变，并提高所述第一梁体31和所述第二梁体32的强度和弹性体整体刚度的结构。
多个所述应变片4分别由Rn(n＝1，2，3，4……)来表示，在本实施例中，所述应变片4有24个，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，且24个所述应变片4每4个组成一个全桥电路，每个所述全桥电路分别与所述信号处理模块5的输入端连接，所述信号处理模块的输出端连接终端，则：
所述R1与所述R2、所述R3与所述R4、所述R5与所述R6、所述R7与所述R8、所述R9与所述R10、所述R11与所述R12分别对称布置于所述第一梁体31的上表面和下表面的所述第一贴片区311，所述R13与所述R14、所述R16与所述R15分别关于所述中心凸台2的竖向中心线对称布置于所述第一梁体31的两外侧，所述R17与所述R18、所述R19与所述R20、所述R21与所述R22、所述R23与所述R24分别对称布置于所述第二梁体32的上表面和下表面的所述第二贴片区321。
具体的，所述R1与所述R2、所述R7与所述R8分别对称布置于所述第一梁体31的上表面和下表面，且所述R1与所述R7、所述R2与所述R8分别呈反对称布置。
所述R3与所述R4、所述R5与所述R6、所述R9与所述R10、所述R11与所述R12分别对称布置于所述第一梁体31的上表面和下表面，且所述R3与所述R9、所述R4与所述R10分别关于所述中心凸台2竖直方向中心线对称设置，所述R5与所述R11、所述R6与所述R12分别关于所述中心凸台2水平方向中心线对称设置；
所述R17与所述R21、所述R18与所述R22分别关于所述中心凸台2竖直方向中心线对称设置，所述R19与所述R23、所述R20与所述R24分别关于所述中心凸台2水平方向中心线对称设置，且所述R17与所述R18、所述R19与所述R20、所述R21与所述R22、所述R23与所述R24分别对称布置于所述第二梁体32的上表面和下表面。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技述人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种新型六维力和力矩传感器，其特征在于：包括中心凸台、设置在中心凸台外侧的筒形外壳和用于连接所述中心凸台与所述筒形外壳的12根弹性梁，12根所述弹性梁上根据需要分别布有应变片，所述中心凸台的底部开设有用于安装信号处理模块的安装孔；
12根所述弹性梁分为第一梁组和第二梁组，所述第一梁组包括8个尺寸和结构相同的第一梁体，所述第二梁组包括4个尺寸和结构相同的第二梁体；8个所述第一梁体分为四组分别设置在所述中心凸台的前端、后端、左端和右端，沿逆时针方向将第一梁体区分为第一梁体a、第一梁体b、第一梁体c、第一梁体d、第一梁体e、第一梁体f、第一梁体g、第一梁体h；沿逆时针方向将第二梁体区分为第二梁体a、第二梁体b、第二梁体c、第二梁体d，4个所述第二梁体分别设置在同一组的两个所述第一梁体之间；
所述第一梁体为L形结构，所述第一梁体包括靠近所述中心凸台的第一贴片区和靠近所述筒形外壳的第一协调区；所述第二梁体为三段式结构，包括两侧对称开设有两个凹槽的第二贴片区，以及靠近所述中心凸台和靠近所述筒形外壳的第二协调区；
所述应变片有24个，分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，且24个所述应变片根据需要每4个组成一个全桥电路，每个所述全桥电路分别与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端连接终端；
所述R13布置于第一梁体a的外侧，所述R14布置于第一梁体b的外侧，所述R15布置于第一梁体e的外侧，所述R16布置于第一梁体f的外侧；
所述R1与所述R2分别对称布置于第一梁体g的上表面和下表面的所述第一贴片区，所述R3设置在R1的左侧，并与所述R4分别对称布置于第一梁体g的上表面和下表面的所述第一贴片区，R5与所述R6分别对称布置于所述第一梁体a的上表面和下表面的所述第一贴片区，所述R7与所述R8分别对称布置于所述第一梁体c的上表面和下表面的所述第一贴片区，所述R9与所述R10分别对称布置于所述第一梁体d的上表面和下表面的所述第一贴片区，所述R11与所述R12分别对称布置于所述第一梁体f的上表面和下表面的所述第一贴片区；
所述R17与所述R18分别对称布置于所述第二梁体d的上表面和下表面的所述第二贴片区，所述R19与所述R20分别对称布置于所述第二梁体a的上表面和下表面的所述第二贴片区，所述R21与所述R22分别对称布置于所述第二梁体b的上表面和下表面的所述第二贴片区，所述R23与所述R24分别对称布置于所述第二梁体c的上表面和下表面的所述第二贴片区。
2.根据权利要求1所述的新型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述中心凸台为方柱形结构。
3.根据权利要求1所述的新型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述第一梁体的顶部高于所述第二梁体的顶部，所述第一梁体的底部低于所述第二梁体的底部。
4.根据权利要求1所述的新型六维力和力矩传感器，其特征在于：所述中心凸台的上端设有方形推拔，所述方形推拔与连接法兰配合，所述方形推拔的顶部设有一个M10螺纹孔，所述螺纹孔用于所述方形推拔与所述连接法兰的紧固连接。
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