CN106918418B - 一种六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种六维力传感器，包括传感器基座以及设置在传感器基座上的壳体，在所述传感器基座上设置有弹性体，其特征在于，所述弹性体为十字梁，该十字梁包括中心基体以及连接在中心基体上的四根悬臂梁，在所述传感器基座上设置有四个轴向滑动定位部件，每根所述悬臂梁的末端套在在所述轴向滑动定位部件内并可沿所述轴向定位部件的轴向方向滑动，在每个所述悬臂梁上设置有在水平面内产生应力集中的第一应力集中位置和垂直面内产生应力集中的第二应力集中位置，在所述第一应力集中位置和第二应力集中位置分别设置有用于测量应力集中位置应力大小的应变片。本发明传感器结构简单紧凑，模块化强，实现了力解耦，测量准确，具有过载保护的作用。

Description

一种六维力传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种六维力传感器，尤其适用于工业自动打磨领域。
背景技术
目前打磨工作多以人工为主，人工打磨存在加工成本高、危害工人身体健康、安全隐患大等问题。更为关键的问题是因为工件形状复杂，比如玻璃模具，铸件，玉石工艺品等，人工打磨浪费工时，加工效率低，造成打磨产量低。采用机器人打磨具有灵活性高、安全性高、稳定性强等优点，能实现对大批量复杂几何外形工件的打磨工作。打破传统的轮毂打磨加工模式，将机器人技术、控制技术、传感器技术等多种技术相融合，采用全新的技术理念研究既满足生产需要又符合经济效益的自动打磨技术，是我国制造业快速发展的需求，更是增强国内轮毂打磨市场竞争力的需求。目前机器人打磨加工系统多为位置控制或速度控制，无法实现对恒定力的控制。实现对打磨加工工作中力的实时采集及处理，是机器人打磨加工系统中的关键技术之一。
六维力传感器能检测力在空间作用的全部信息，即在空间坐标系所形成的三个分力和三个力矩Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz，因此广泛的应用在机器人接触操作中，是机器人打磨任务中不可或缺的重要传感单元。利用传感测量原理，六维力传感器主要由电容式、压阻式、应变式、压电式等，早期传感器结构为压阻式传感器，各分力耦合程度高且很难解耦、灵敏度较低，电容式、压电式传感器存在量程小的缺点。中国专利CN201310479891.9采用双层十字梁的方式实现解耦，公开了一种正交解耦六维力传感器，存在z向尺寸大，z向承受载荷小及加工成本高的缺点，中国专利CN201620008204.4公开了一种结构紧凑的六维力传感器，仅适用于小量程的应用场景。中国专利CN201420298602.5通过双轴弹性铰链实现了力解耦，存在非对偶正交，力易施加不均，测量不准确的缺点。中国专利CN201310533609.0采用一体加工的方式设计了十字梁，并采用销轴，设置多个相配件的配合精度实现过载保护，存在各零件精度要求高，加工成本高的缺点。
针对现有技术的不足，急需开发出一种既能满足工业生产要求，又能具备良好灵敏度、高线性度、成本低等优点的六维力传感器。
本发明的六维力传感器，结构简单紧凑，测量准确，实现了力的正交解耦，同时加工成本低，在工业自动打磨领域具有很大的应用前景。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种结构简单紧凑、测量准确、模块化强、维间耦合程度低的六维力传感器。
技术方案：
一种六维力传感器，包括传感器基座以及设置在传感器基座上的壳体，在所述传感器基座上设置有弹性体，其特征在于，所述弹性体为十字梁，该十字梁包括中心基体以及连接在中心基体上的四根悬臂梁，在所述传感器基座上设置有四个轴向滑动定位部件，每根所述悬臂梁的末端套在在所述轴向滑动定位部件内并可沿所述轴向定位部件的轴向方向滑动，在每个所述悬臂梁上设置有在水平面内产生应力集中的第一应力集中位置和垂直面内产生应力集中的第二应力集中位置，在所述第一应力集中位置和第二应力集中位置分别设置有用于测量应力集中位置应力大小的应变片。
所述中心基体的截面形状为正方形，在正方形的正中设置有一圆孔，所述悬臂梁设在所述正方形四条边的正中间。圆形孔在正方形基体上形成四个厚度最小处，而悬臂梁正好位于基体的厚度最小处，在不影响弹性体应力应变的情况下，在中心基体上设置圆孔能有效减轻传感器重量，且能有效传悬臂梁的作用力，提高测量精度。
在所述传感器基座还设置有一过载保护安装盘，该过载保护安装盘包括一底板以及设置在底板上的四个挡板；所述过载保护安装盘的底板与弹性体的基座固定连接，所述弹性体的四根悬臂梁分别位于相邻两个挡板之间。
在所述弹性体的四根悬臂梁上均有两个单孔形成所述第一应力集中位置和第二应力集中位置，每个单孔的应力集中处分别对称贴有两片所述应变片。
弹性体的悬臂梁的横截面为正方形。正方形的悬臂梁的应力集中处应力应变对称，一边是拉伸，另一边是压缩；同时也方便粘贴应变片。
所述轴向滑动定位部件包括轴承、轴承端盖以及轴承挡块，在所述传感器基座上设置有轴承座，所述轴承通过所述轴承端盖和轴承档块固定在所述轴承座上。
所述壳体由上端盖和外壳组成，所述上端盖和传感器基座相互平行固定连接在外壳的两端。
在所述传感器基座和过载保护安装盘之间还设置有一具有密封隔尘作用的橡胶密封圈。
在所述上端盖上还固定有一用于与所述应变片连接的采集电路板，该采集电路板位于弹性体上方。
本发明六维力传感器，包括上端盖、外壳、传感器基座、橡胶密封圈、过载保护安装盘、轴承端盖、轴承挡块、弹性体、轴承、应变片、采集电路板。上端盖和传感器基座相互平行固定连接在外壳的两端。轴承端盖和轴承挡块分别通过螺栓固定连接在传感器基座上，并将轴承固定在传感器基座上，轴承与传感器基座的定位孔过渡配合。过载保护安装盘与弹性体固定连接，当弹性体变形量过大时，过载保护安装盘可限制弹性体的继续变形，防止其失效。橡胶密封圈位于传感器基座和过载保护安装盘之间，具有密封隔尘的作用。采集电路板位于弹性体上方，与上端盖固定连接。弹性体的四根悬臂梁上均有两个单孔，每个单孔的应力集中处分别对称贴有两片应变片。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)区别于现有六维力传感器中，采用双层十字梁及双轴弹性铰链等力解耦手段，本发明在传统的十字梁结构基础上，采用“滑移”的思想，通过在单层十字梁的四根悬臂梁末端圆柱体上添加过渡配合的轴向滑动定位部件，实现力正交解耦的要求，结构简单，相配件精度要求低，加工成本低，同时测量精度高。
(2)本发明采用安全法兰的结构对十字梁进行过载保护，限制其变形量过大从而失效，与现有的采用螺钉及销轴等过载保护手段相比，具有结构简单，相配件的精度要求低，加工成本低，过载保护效果好等优点。
(3)本发明将采集电路板集成在传感器里面，模块化强。上端盖及过载保护安装盘均有标准安装孔，大量使用标准件降低了机构的成本，同时提高了其通用性，可适应不同工业生产要求。
本发明结构设计合理、简单紧凑、维间耦合程度低，具备过载保护功能，模块化强，准确测量六维力及力矩，具有一定的通用性。
附图说明
图1为本发明的正视局部剖视图。
图2为本发明的俯视局部剖视图。
图3为本发明弹性体贴片的立体图。
图4为本发明传感器基座的立体图。
图5是本发明过载保护安装盘的立体图。
图6为本发明的结构示意图。
图中有：上端盖1、外壳2、传感器基座3、橡胶密封圈4、过载保护安装盘5、轴承端盖6、轴承挡块7、弹性体8、轴承9、应变片10、采集电路板11。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本发明的一种带过载保护的六维力传感器，包括上端盖1、外壳2、传感器基座3、橡胶密封圈4、过载保护安装盘5、轴承端盖6、轴承挡块7、弹性体8、轴承9、应变片10、采集电路板11。其中，弹性体8用于测量空间坐标系中的三个分力Fx，Fy，Fz和三个力矩Mx，My，Mz。上端盖1和传感器基座3相互平行，分别固定连接在外壳2的两端。轴承端盖6和轴承挡块7分别通过螺栓固定连接在传感器基座3上，并将轴承9固定在传感器基座3上，轴承9与传感器基座3的定位孔过渡配合。过载保护安装盘5与弹性体8固定连接，当弹性体8变形量过大时，过载保护安装盘5可限制弹性体8的继续变形。橡胶密封圈4位于传感器基座3和过载保护安装盘5之间，具有密封隔尘的作用。采集电路板11位于弹性体8上方，通过螺栓与上端盖1固定连接。
图3为弹性体8的应变片贴片立体图。弹性体8的四根悬臂梁上均有两个单孔，两个单孔的中心轴分别为水平方向及竖直方向，每根悬臂梁的应力集中处为单孔的壁厚最薄处，每个单孔的应力集中处分别对称贴有两片应变片10。弹性体8的四根悬臂梁的末端圆柱体分别与轴承9间隙配合，可沿轴承9的中心轴线方向滑动。为了使弹性体8的四根悬臂梁的末端圆柱体沿轴线方向滑动，也可以在悬臂梁的末端设置轴套等作为轴向滑动定位部件。当施加沿x方向的力时，弹性体8沿y方向的两根悬臂梁的应力集中处的应变片产生形变，弹性体8沿x方向的两根悬臂梁产生滑动，应力集中处的应变片产生的形变可以忽略。当施加沿y方向的力时，弹性体8沿x方向的两根悬臂梁的应力集中处的应变片产生形变，弹性体8沿y方向的两根悬臂梁产生滑动，应力集中处的应变片产生的形变可以忽略，从而实现力的维间解耦。
过载保护安装盘5与弹性体8通过螺栓固定连接。下面以绕z方向的力矩为例，阐述过载保护安装盘5的保护作用，当绕z方向的力矩超过额定数值时，弹性体产生绕z方向的变形，当变形量过大时，弹性体8接触到过载保护安装盘5，使其无法继续变形，从而起到防止变形失效的作用。
该结构的六维力传感器工作时，力和力矩通过过载保护安装盘5施加在弹性体8上。力和力矩分别引起弹性体8的四根悬臂梁的应变片产生形变，如图3所示，采集电路板11通过采集八个应力集中处的应变片的形变，获得六维力/力矩信息。
图4是竖直方向，即z向，弹性传力的结构示意图。如图4所示，根据受力平衡条件，
Fx＝Fx1+Fx2
Fy＝Fy1+Fy2
Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4
其中，Fx为传感器受到的六维力在x方向上的力，Fy为传感器受到的六维力在y方向上的力，Fz为传感器受到的六维力在z方向上的力，Mx为传感器受到的六维力在x方向上的力矩，My为传感器受到的六维力在y方向上的力矩，Mz为传感器受到的六维力在z方向上的力矩，L1为弹性体8的四根悬臂梁的近端单孔的距离，L2为弹性体8的四根悬臂梁的远端单孔的距离，第一根悬臂梁在x方向上的力为Fx1，在z方向上的力为Fz1，第二根悬臂梁在y方向上的力为Fy2，在z方向上的力为Fz2，第三根悬臂梁在y方向上的力为Fy1，在z方向上的力为Fz4。
利用上述公式，解出作用在六维力传感器的六维力Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz。
进一步，弹性体8的四根悬臂梁的横截面为正方形，这样的结构保证力的信号传递，使得测量更加准确。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明。应当指出：对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代、变型和改进，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种六维力传感器，包括传感器基座（3）以及设置在传感器基座（3）上的壳体，在所述传感器基座（3）上设置有弹性体，其特征在于，所述弹性体为十字梁，该十字梁包括中心基体以及连接在中心基体上的四根悬臂梁，在所述传感器基座（3）上设置有四个轴向滑动定位部件，每根所述悬臂梁的末端套在所述轴向滑动定位部件内并可沿所述轴向滑动定位部件的轴向方向滑动，在每个所述悬臂梁上设置有在水平面内产生应力集中的第一应力集中位置和垂直面内产生应力集中的第二应力集中位置，在所述第一应力集中位置和第二应力集中位置分别设置有用于测量应力集中位置应力大小的应变片；在所述传感器基座（3）还设置有一过载保护安装盘（5），该过载保护安装盘（5）包括一底板以及设置在底板上的四个挡板；所述过载保护安装盘（5）的底板与弹性体（8）的基座固定连接，所述弹性体（8）的四根悬臂梁分别位于相邻两个挡板之间。
2.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：在所述弹性体（8）的四根悬臂梁上均有两个单孔形成所述第一应力集中位置和第二应力集中位置，每个单孔的应力集中处分别对称贴有两片所述应变片（10）。
3.根据权利要求2所述的六维力传感器，其特征在于：弹性体（8）的悬臂梁的横截面为正方形。
4.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述轴向滑动定位部件包括轴承、轴承端盖（6）以及轴承挡块（7），在所述传感器基座（3）上设置有轴承座，所述轴承通过所述轴承端盖（6）和轴承档块（7）固定在所述轴承座上。
5.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：所述壳体由上端盖（1）和外壳（2）组成，所述上端盖（1）和传感器基座（3）相互平行固定连接在外壳（2）的两端。
6.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于：在所述传感器基座（3）和过载保护安装盘（5）之间还设置有一具有密封隔尘作用的橡胶密封圈（4）。
7.根据权利要求5所述的六维力传感器，其特征在于：在所述上端盖（1）上还固定有一用于与所述应变片连接的采集电路板（11），该采集电路板位于弹性体（8）上方。
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