CN108918013A - 一种柔性机构自解耦六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台、固定台、内弹性梁、外弹性梁以及柔性铰链，内弹性梁的一端均固定在加载台外侧，且四个内弹性梁在加载台外侧均匀排布，八个外弹性梁每两个一组分别通过柔性铰链连接在四个内弹性梁的另一端，四个外弹性梁与内弹性梁相互垂直，四个固定台呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁之间，四个固定台的两端分别通过柔性铰链与其相邻的外弹性梁相连，四个内弹性梁上均开有一号双目形通孔，八个外弹性梁上均开设二号双目形通孔，该设计具有良好的自解耦性能，本发明结构紧凑，测量灵敏度高，精度好，滞后小，并具有良好的自解耦性能。
Description
技术领域
本发明是一种柔性机构自解耦六维力传感器，属于传感器技术领域。
背景技术
六维力传感器能够同时检测空间六维力和力矩的全部信息，随着自动化、智能化水平以及机器人技术的飞速发展，已经广泛应用于航空航天、机器人、汽车制造、工业生产和医疗等各大领域，对于满足各行业的工程需求而言有着重要的作用。六维力传感器的灵敏度、维间耦合、精度和迟滞等是影响传感器使用性能的几个最重要指标。如何提高六维力传感器的灵敏度和精度，降低维间耦合、减小迟滞一直以来是备受关注的研究焦点，但迄今为止没有一个很好的解决方法。
现有六维力传感器的弹性梁往往为实心梁，如专利CN103940544B、CN103487194B、CN103528746B、CN100535620C、CN105651446A等，该结构的优点是传感器刚度大、迟滞小，但缺点是灵敏度低、维间耦合大、精度低。专利CN106225977A采用了多个单向传感器，单向传感器的弹性梁为双目结构，但是该专利的弹性体为组合弹性体，存在摩擦与间隙，从而导致六维力传感器迟滞较大，影响重复性精度。为了降低传感器的维间耦合，专利CN10149102B将弹性体梁的宽度降低，从而将实心梁结构变成了板结构，该结构虽然可以减小维间耦合，但会造成传感器刚度严重降低。美国发明专利US6871552B2将实心弹性梁结构变为盲孔弹性梁，虽然该结构可以有效提高传感器测量灵敏度和精度，但粘贴应变片的盲孔厚度要求非常小，从而导致盲孔结构的弹性梁加工困哪，工艺性差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种柔性机构自解耦六维力传感器，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明结构紧凑，测量灵敏度高，精度好，滞后小，并具有良好的自解耦性能。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台、固定台、内弹性梁、外弹性梁、柔性铰链和应变片，所述内弹性梁设有四个，四个所述内弹性梁的一端均固定在加载台外侧，且四个内弹性梁在加载台外侧均匀排布，所述外弹性梁设有八个，八个所述外弹性梁每两个一组分别通过柔性铰链连接在四个内弹性梁的另一端，四个所述外弹性梁与内弹性梁相互垂直，所述固定台设有四个，四个所述固定台呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁之间，四个所述固定台的两端分别通过柔性铰链与其相邻的外弹性梁相连，四个所述内弹性梁上均开有一号双目形通孔，四个所述外弹性梁上均开设二号双目形通孔，所述加载台上开有四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔一，四个所述固定台上均开有两个螺纹孔二，且固定台上的螺纹孔二对称布置，所述加载台上的螺纹孔一和固定台上的螺纹孔二均用于传感器与机械臂或末端待测设备的连接，二十四个所述应变片每四个组成一组惠斯通全桥，共组成六组惠斯通全桥分别用于六维力信息测量。
进一步地，所述加载台、固定台、内弹性梁、外弹性梁以及柔性铰链共同构成本传感器的一体式弹性体结构，且一体式弹性体结通过一块铝合金材料进行一体加工而成，所述加载台位于弹性体结构中心处。
进一步地，所述内弹性梁和外弹性梁均在平面内正交布置，四个所述内弹性梁相邻的两个之间的夹角为度，四个所述内弹性梁呈十字形式布置，四个所述外弹性梁每两个一组垂直分布在所连接的内弹性梁两侧,所述内弹性梁、加载台和固定台的高度相同，所述外弹性梁的高度为内弹性梁高度的一半，所述内弹性梁和外弹性梁宽度相同，所述一号双目形通孔的轴线方向为竖直方向，且一号双目形通孔的长度方向沿所在内弹性梁的轴线方向，所述二号双目形通孔的轴线方向为水平方向，且二号双目形通孔的长度方向沿所在外弹性梁的轴线方向，所述一号双目形通孔与二号双目形通孔的截面形状与尺寸依据柔性机构自解耦六维力传感器的量程进行设定。
进一步地，所述柔性铰链为圆弧型柔性铰链，且圆弧型柔性铰链的圆弧形通孔的轴线方向沿竖直方向，所述一号双目形通孔、二号双目形通孔和柔性铰链共同构成了柔性机构，所述一号双目形通孔以及二号双目形通孔均为一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链均为一个单自由度的柔性转动副，且每四个对称布置的柔性铰链构成一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链包括柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链三、柔性铰链四、柔性铰链五、柔性铰链六、柔性铰链十七、柔性铰链八、柔性铰链九、柔性铰链十、柔性铰链十一、柔性铰链十二、柔性铰链十三、柔性铰链十四、柔性铰链十五以及柔性铰链十六，所述柔性铰链五、柔性铰链六、柔性铰链十五、柔性铰链十六和柔性铰链十七、柔性铰链八、柔性铰链十三、柔性铰链十四分别构成两个沿X方向的柔性移动副，柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链十一、柔性铰链十二和柔性铰链三、柔性铰链四、柔性铰链九、柔性铰链十分别构成两个沿Y方向的柔性移动副。
进一步地，所述一号双目形通孔和二号双目形通孔外侧的变形敏感区域设有贴片，且贴片方向沿二十四个应变片所在内弹性梁和外弹性梁的轴线方向，二十四个所述应变片包括应变片一、应变片二应变片三、应变片四、应变片五、应变片六、应变片七、应变片八、应变片九、应变片十、应变片十一、应变片十二、应变片十三、应变片十四、应变片十五、应变片十六、应变片十七、应变片十八、应变片十九、应变片二十、应变片二十一、应变片二十二、应变片二十三以及应变片二十四，所述应变片一、应变片二应变片三以及应变片四构成第一组惠斯通全桥，所述应变片五、应变片六、应变片七以及应变片八构成第二组惠斯通全桥，所述应变片二十一、应变片二十二、应变片二十三以及应变片二十四构成第三组惠斯通全桥，所述应变片十三、应变片十四、应变片十五以及应变片十六构成第四组惠斯通全桥，所述应变片十七、应变片十八、应变片十九以及应变片二十构成第五组惠斯通全桥，所述应变片九、应变片十、应变片十一以及应变片十二构成第六组惠斯通全桥，二十四个所述应变片的初始电阻值相等，构成上述六组惠斯通全桥电路。
进一步地，所述内弹性梁包括第一内弹性梁、第二内弹性梁、第三内弹性梁以及第四内弹性梁，且沿圆周方向依次排列为第一内弹性梁、第二内弹性梁、第三内弹性梁、第四内弹性梁，所述外弹性梁包括第一外弹性梁、第二外弹性梁、第三外弹性梁、第四外弹性梁、第五外弹性梁、第六外弹性梁、第七外弹性梁以及第八外弹性梁，且沿圆周方向依次排列为第一外弹性梁、第二外弹性梁、第三外弹性梁、第四外弹性梁、第五外弹性梁、第六外弹性梁、第七外弹性梁以及第八外弹性梁。
本发明的有益效果：本发明的一种柔性机构自解耦六维力传感器，采用一体式弹性体结构，相比于装配式传感器结构紧凑，测量精度高，重复性好，滞后小，该设计根据悬臂梁对弯曲变形敏感的特点，通过梁的弯曲变形检测全部六维力信息，利用柔性机构将一体式弹性体结构受切向力作用时内弹性梁的拉压变形转化为弯曲变形，测量灵敏度高，并对传统的实心弹性梁进行改进，在内、外弹性梁上分别开有双目型通孔，在同等外部载荷条件下，本装置的弹性梁应变更大，并主要集中在双目型通孔处，大大提高传感器的灵敏度，本装置中的一体式弹性体结构由传统的十字梁结构改进而成，整体采用对称结构，解耦性能好，对内弹性梁以及外弹性梁进行了不同的设计，使内弹性梁以及外弹性梁具有不同的敏感方向，此外，还在一体式弹性体结构中加入了柔性机构，利用内弹性梁以及外弹性梁和柔性机构对不同方向载荷的刚度不同、敏感方向不同进行进一步机械解耦，具有良好的自解耦性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种柔性机构自解耦六维力传感器的结构示意图；
图2为本发明一种柔性机构自解耦六维力传感器中弹性体结构的俯视图；
图3为本发明一种柔性机构自解耦六维力传感器中贴片方案的俯视图；
图4为本发明一种柔性机构自解耦六维力传感器中贴片方案的仰视示意图；
图中：1-加载台、2-固定台、3-内弹性梁、4-外弹性梁、5-柔性铰链、6-应变片、7-一号双目形通孔、8-二号双目形通孔、9-螺纹孔一、10-螺纹孔二、31-第一内弹性梁、32-第二内弹性梁、33-第三内弹性梁、34-第四内弹性梁、41-第一外弹性梁、42-第二外弹性梁、43-第三外弹性梁、44-第四外弹性梁、45-第五外弹性梁、46-第六外弹性梁、47-第七外弹性梁、48-第八外弹性梁、501-柔性铰链一、502-柔性铰链二、503-柔性铰链三、504-柔性铰链四、505-柔性铰链五、506-柔性铰链六、507-柔性铰链十七、508-柔性铰链八、509-柔性铰链九、510-柔性铰链十、511-柔性铰链十一、512-柔性铰链十二、513-柔性铰链十三、514-柔性铰链十四、515-柔性铰链十五、516-柔性铰链十六、601-应变片一、602-应变片二、603-应变片三、604-应变片四、605-应变片五、606-应变片六、607-应变片七、608-应变片八、609-应变片九、610-应变片十、611-应变片十一、612-应变片十二、613-应变片十三、614-应变片十四、615-应变片十五、616-应变片十六、617-应变片十七、618-应变片十八、619-应变片十九、620-应变片二十、621-应变片二十一、622-应变片二十二、623-应变片二十三、624-应变片二十四。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台1、固定台2、内弹性梁3、外弹性梁4、柔性铰链5和应变片6，其特征在于：内弹性梁3设有四个，四个内弹性梁3的一端均固定在加载台1外侧，且四个内弹性梁3在加载台1外侧均匀排布，外弹性梁4设有八个，八个外弹性梁4每两个一组分别通过柔性铰链5连接在四个内弹性梁3的另一端，外弹性梁4设有四个，四个外弹性梁4与内弹性梁3相互垂直，固定台2设有四个，四个固定台2呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁4之间，四个固定台2的两端分别通过柔性铰链5与其相邻的外弹性梁4相连，四个内弹性梁3上均开有一号双目形通孔7，四个外弹性梁4上均开设二号双目形通孔8，加载台1上开有四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔一9，四个固定台2上均开有两个螺纹孔二10，且固定台2上的螺纹孔二10对称布置，加载台1上的螺纹孔一9和固定台2上的螺纹孔二10均用于传感器与机械臂或末端待测设备的连接，二十四个应变片6每四个组成一组惠斯通全桥，共组成六组惠斯通全桥分别用于六维力信息测量。
加载台1、固定台2、内弹性梁3、外弹性梁4以及柔性铰链5共同构成本传感器的一体式弹性体结构，且一体式弹性体结通过一块铝合金材料进行一体加工而成，加载台1位于弹性体结构中心处。
内弹性梁3和外弹性梁4均在平面内正交布置，四个内弹性梁3相邻的两个之间的夹角为90度，四个内弹性梁3呈十字形式布置，四个外弹性梁4每两个一组垂直分布在所连接的内弹性梁3两侧,内弹性梁3、加载台1和固定台2的高度相同，外弹性梁4的高度为内弹性梁3高度的一半，内弹性梁3和外弹性梁4宽度相同，一号双目形通孔7的轴线方向为竖直方向，且一号双目形通孔7的长度方向沿所在内弹性梁3的轴线方向，二号双目形通孔8的轴线方向为水平方向，且二号双目形通孔8的长度方向沿所在外弹性梁4的轴线方向。
柔性铰链5为圆弧型柔性铰链，且圆弧型柔性铰链的圆弧形通孔的轴线方向沿竖直方向，一号双目形通孔7、二号双目形通孔8和柔性铰链5共同构成了柔性机构，一号双目形通孔7以及二号双目形通孔8均为一个单自由度的柔性移动副，柔性铰链5均为一个单自由度的柔性转动副，且每四个对称布置的柔性铰链5构成一个单自由度的柔性移动副，柔性铰链5包括柔性铰链一501、柔性铰链二502、柔性铰链三503、柔性铰链四504、柔性铰链五505、柔性铰链六506、柔性铰链十七507、柔性铰链八508、柔性铰链九509、柔性铰链十510、柔性铰链十一511、柔性铰链十二512、柔性铰链十三513、柔性铰链十四514、柔性铰链十五515以及柔性铰链十六516，柔性铰链五505、柔性铰链六506、柔性铰链十五515、柔性铰链十六516和柔性铰链十七507、柔性铰链八508、柔性铰链十三513、柔性铰链十四514分别构成两个沿X方向的柔性移动副，柔性铰链一501、柔性铰链二502、柔性铰链十一511、柔性铰链十二512和柔性铰链三503、柔性铰链四504、柔性铰链九509、柔性铰链十510分别构成两个沿Y方向的柔性移动副。
一号双目形通孔7和二号双目形通孔8外侧的变形敏感区域设有贴片，且贴片方向沿二十四个应变片6所在内弹性梁3和外弹性梁4的轴线方向，二十四个应变片6包括应变片一601、应变片二602应变片三603、应变片四604、应变片五605、应变片六606、应变片七607、应变片八608、应变片九609、应变片十610、应变片十一611、应变片十二612、应变片十三613、应变片十四614、应变片十五615、应变片十六616、应变片十七617、应变片十八618、应变片十九619、应变片二十620、应变片二十一621、应变片二十二622、应变片二十三623以及应变片二十四624，应变片一601、应变片二602应变片三603以及应变片四604构成第一组惠斯通全桥，应变片五605、应变片六606、应变片七607以及应变片八608构成第二组惠斯通全桥，应变片二十一621、应变片二十二622、应变片二十三623以及应变片二十四624构成第三组惠斯通全桥，应变片十三613、应变片十四614、应变片十五615以及应变片十六616构成第四组惠斯通全桥，应变片十七617、应变片十八618、应变片十九619以及应变片二十620构成第五组惠斯通全桥，应变片九609、应变片十610、应变片十一611以及应变片十二612构成第六组惠斯通全桥，二十四个应变片6的初始电阻值相等，构成上述六组惠斯通全桥电路。
内弹性梁3包括第一内弹性梁31、第二内弹性梁32、第三内弹性梁33以及第四内弹性梁34，且沿圆周方向依次排列为第一内弹性梁31、第二内弹性梁32、第三内弹性梁33、第四内弹性梁34，外弹性梁4包括第一外弹性梁41、第二外弹性梁42、第三外弹性梁43、第四外弹性梁44、第五外弹性梁45、第六外弹性梁46、第七外弹性梁47以及第八外弹性梁48，且沿圆周方向依次排列为第一外弹性梁41、第二外弹性梁42、第三外弹性梁43、第四外弹性梁44、第五外弹性梁45、第六外弹性梁46、第七外弹性梁47以及第八外弹性梁48。
具体实施方式：加载台1、固定台2、内弹性梁3、外弹性梁4、柔性铰链5共同构成本传感器的一体式弹性体结构，该一体式弹性体的材质为铝合金、不锈钢或合金钢，并且由一块材料加工而成，本传感器的弹性体为一体式结构，敏感元件不存在摩擦与间隙，相比于装配式传感器结构紧凑、测量精度高、重复性好、滞后小。
每个内弹性梁3上开有一号双目形通孔7，每个外弹性梁4上开有二号双目形通孔8，在同等外部尺寸参数的条件下，相较于实心弹性梁，本实施方式中的内弹性梁3和外弹性梁4的抗弯模量小，因此，在同等外部载荷条件下，本实施方式中的内弹性梁3和外弹性梁4的应变较大，因此会大大提高传感器的灵敏度。
柔性机构自解耦六维力传感器的每个内弹性梁3和外弹性梁4均在平面内正交布置，相邻的两个内弹性梁3之间的夹角为90度，四个内弹性梁3呈十字形式布置，每两个外弹性梁4一组垂直分布在所连接的内弹性梁3两侧，内弹性梁3沿圆周方向依次为第一内弹性梁31、第二内弹性梁32、第三内弹性梁33、第四内弹性梁34，外弹性梁4沿圆周方向依次为第一外弹性梁41、第二外弹性梁42、第三外弹性梁43、第四外弹性梁44、第五外弹性梁45、第六外弹性梁46、第七外弹性梁47、第八外弹性梁48，内弹性梁3与加载台1和固定台2的高度相同，外弹性梁4的高度为内弹性梁3高度的一半，内弹性梁3和外弹性梁4宽度相同，内弹性梁3和外弹性梁4的截面尺寸依据柔性机构自解耦六维力传感器的量程进行设定，每个一号双目形通孔7的轴线方向为竖直方向，通孔的长度方向沿所在内弹性梁3的轴线方向，每个二号双目形通孔8的轴线方向为水平方向，通孔的长度方向沿所在外弹性梁4的轴线方向，一号双目形通孔7与二号双目形通孔8的截面形状与尺寸可以相同，也可以不同，依据柔性机构自解耦六维力传感器的量程进行设定。
对内弹性梁3的截面尺寸以及外弹性梁4的截面尺寸和一号双目形通孔7与二号双目形通孔8方向进行不同的设置，使内弹性梁3和外弹性梁4具有不同的敏感方向，分别实现不同方向力信号的测量，提高传感器的自解耦性能，内弹性梁3对竖直方向载荷刚度大，敏感方向为水平方向，利用内弹性梁3的敏感方向特点测量切向力Fx、Fy和转矩Mz，外弹性梁4对水平方向载荷刚度大，敏感方向为竖直方向，利用外弹性梁4的敏感方向特点测量法向力Fz和弯矩Mx、My。
结合图1、图2说明本实施方式，本装置的每个柔性铰链5均为圆弧型柔性铰链，圆弧形通孔的轴线方向沿竖直方向，一号双目形通孔7、二号双目形通孔8和所有柔性铰链5共同构成了柔性机构自解耦六维力传感器的柔性机构，每个一号双目形通孔7或二号双目形通孔8本身都是一个单自由度的柔性移动副，每个柔性铰链5都是一个单自由度的柔性转动副，柔性铰链5包括柔性铰链一501、柔性铰链二502、柔性铰链三503、柔性铰链四504、柔性铰链五505、柔性铰链六506、柔性铰链十七507、柔性铰链八508、柔性铰链九509、柔性铰链十510、柔性铰链十一511、柔性铰链十二512、柔性铰链十三513、柔性铰链十四514、柔性铰链十五515以及柔性铰链十六516，每四个对称布置的柔性铰链5构成一个单自由度的柔性移动副，柔性铰链五505、柔性铰链六506、柔性铰链十五515、柔性铰链十六516和柔性铰链十七507、柔性铰链八508、柔性铰链十三513、柔性铰链十四514分别构成两个沿X方向的柔性移动副，柔性铰链一501、柔性铰链二502、柔性铰链十一511、柔性铰链十二512和柔性铰链三503、柔性铰链四504、柔性铰链九509、柔性铰链十510分别构成两个沿Y方向的柔性移动副，上述两个由柔性铰链5构成的沿X方向的柔性移动副将传感器受切向力Fx作用时第二内弹性梁32和第四内弹性梁34的拉压变形转化为第一内弹性梁31和第三内弹性梁33的弯曲变形，两个由柔性铰链5构成的沿Y方向的柔性移动副将传感器受切向力Fy作用时第一内弹性梁31和第三内弹性梁33的拉压变形转化为第二内弹性梁32和第四内弹性梁34的弯曲变形，大大提高传感器对切向力Fx和Fy的测量灵敏度，柔性机构对不同方向载荷刚度不同、敏感方向不同，本装置对传感器内各柔性机构的布置有效的提高传感器的自解耦性能。
在一号双目形通孔7和二号双目形通孔8外侧的变形敏感区域贴片，贴片方向沿各应变片6所在内弹性梁3和外弹性梁4的轴线方向，检测各梁的弯曲变形，应变片一601和应变片二602分别粘贴在第一内弹性梁31的两个侧壁上，应变片三603和应变片四604分别粘贴在第三内弹性梁33的两个侧壁上，应变片五605和应变片六606分别粘贴在第四内弹性梁34的两个侧壁上，应变片七607和应变片八608分别粘贴在第二内弹性梁32的两个侧壁上，应变片九609和应变片十610分别粘贴在第四内弹性梁34的两个侧壁上，应变片十一611和应变片十二612分别粘贴在第二内弹性梁32的两个侧壁上，应变片十三613和应变片十四614分别粘贴在第六外弹性梁46和第一外弹性梁41的顶面上，应变片十五615和应变片十六616分别粘贴在第五外弹性梁45和第二外弹性梁42的顶面上，应变片十七617和应变片十八618分别粘贴在第七外弹性梁47和第四外弹性梁44的顶面上，应变片十九619和应变片二十620分别粘贴在第八外弹性梁48和第三外弹性梁43的顶面上，应变片二十一621和应变片二十二622分别粘贴在第六外弹性梁46和第五外弹性梁45的顶面上，应变片二十三623和应变片二十四624分别粘贴在第一外弹性梁41和第二外弹性梁42的底面上。
应变片一601、应变片二602、应变片三603、应变片四604构成第一组惠斯通全桥，用于测量切向力Fx，应变片五605、应变片六606、应变片七607、应变片八608构成第二组惠斯通全桥，用于测量切向力Fy，应变片二十一621、应变片二十二622、应变片二十三623、应变片二十四624构成第三组惠斯通全桥，用于测量法向力Fz，应变片十三613、应变片十四614、应变片十五615、应变片十六616构成第四组惠斯通全桥，用于测量弯矩Mx，应变片十七617、应变片十八618、应变片十九619、应变片二十620构成第五组惠斯通全桥，用于测量弯矩My，应变片九609、应变片十610、应变片十一611、应变片十二612构成第六组惠斯通全桥，用于测量转矩Mz，应变片6的初始电阻值相等，构成上述六组惠斯通全桥电路，将力信息转化为电信息，实现对六维力信息的同时测量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台(1)、固定台(2)、内弹性梁(3)、外弹性梁(4)、柔性铰链(5)和应变片(6)，其特征在于：所述内弹性梁(3)设有四个，四个所述内弹性梁(3)的一端均固定在加载台(1)外侧，且四个内弹性梁(3)在加载台(1)外侧均匀排布，所述外弹性梁(4)设有八个，八个所述外弹性梁(4)每两个一组分别通过柔性铰链(5)连接在四个内弹性梁(3)的另一端，四个所述外弹性梁(4)与内弹性梁(3)相互垂直，所述固定台(2)设有四个，四个所述固定台(2)呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁(4)之间，四个所述固定台(2)的两端分别通过柔性铰链(5)与其相邻的外弹性梁(4)相连，四个所述内弹性梁(3)上均开有一号双目形通孔(7)，四个所述外弹性梁(4)上均开设二号双目形通孔(8)，所述加载台(1)上开有四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔一(9)，四个所述固定台(2)上均开有两个螺纹孔二(10)，且固定台(2)上的螺纹孔二(10)对称布置，所述加载台(1)上的螺纹孔一(9)和固定台(2)上的螺纹孔二(10)均用于传感器与机械臂或末端待测设备的连接，二十四个所述应变片(6)每四个组成一组惠斯通全桥，共组成六组惠斯通全桥分别用于六维力信息测量。
2.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述加载台(1)、固定台(2)、内弹性梁(3)、外弹性梁(4)以及柔性铰链(5)共同构成本传感器的一体式弹性体结构，且一体式弹性体结通过一块铝合金材料进行一体加工而成，所述加载台(1)位于弹性体结构中心处。
3.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述内弹性梁(3)和外弹性梁(4)均在平面内正交布置，四个所述内弹性梁(3)相邻的两个之间的夹角为90度，四个所述内弹性梁(3)呈十字形式布置，四个所述外弹性梁(4)每两个一组垂直分布在所连接的内弹性梁(3)两侧,所述内弹性梁(3)、加载台(1)和固定台(2)的高度相同，所述外弹性梁(4)的高度为内弹性梁(3)高度的一半，所述内弹性梁(3)和外弹性梁(4)宽度相同，所述一号双目形通孔(7)的轴线方向为竖直方向，且一号双目形通孔(7)的长度方向沿所在内弹性梁(3)的轴线方向，所述二号双目形通孔(8)的轴线方向为水平方向，且二号双目形通孔(8)的长度方向沿所在外弹性梁(4)的轴线方向，所述一号双目形通孔(7)与二号双目形通孔(8)的截面形状与尺寸依据柔性机构自解耦六维力传感器的量程进行设定。
4.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述柔性铰链(5)为圆弧型柔性铰链，且圆弧型柔性铰链的圆弧形通孔的轴线方向沿竖直方向，所述一号双目形通孔(7)、二号双目形通孔(8)和柔性铰链(5)共同构成了柔性机构，所述一号双目形通孔(7)以及二号双目形通孔(8)均为一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链(5)均为一个单自由度的柔性转动副，且每四个对称布置的柔性铰链(5)构成一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链(5)包括柔性铰链一(501)、柔性铰链二(502)、柔性铰链三(503)、柔性铰链四(504)、柔性铰链五(505)、柔性铰链六(506)、柔性铰链十七(507)、柔性铰链八(508)、柔性铰链九(509)、柔性铰链十(510)、柔性铰链十一(511)、柔性铰链十二(512)、柔性铰链十三(513)、柔性铰链十四(514)、柔性铰链十五(515)以及柔性铰链十六(516)，所述柔性铰链五(505)、柔性铰链六(506)、柔性铰链十五(515)、柔性铰链十六(516)和柔性铰链十七(507)、柔性铰链八(508)、柔性铰链十三(513)、柔性铰链十四(514)分别构成两个沿X方向的柔性移动副，柔性铰链一(501)、柔性铰链二(502)、柔性铰链十一(511)、柔性铰链十二(512)和柔性铰链三(503)、柔性铰链四(504)、柔性铰链九(509)、柔性铰链十(510)分别构成两个沿Y方向的柔性移动副。
5.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述一号双目形通孔(7)和二号双目形通孔(8)外侧的变形敏感区域设有贴片，且贴片方向沿二十四个应变片(6)所在内弹性梁(3)和外弹性梁(4)的轴线方向，二十四个所述应变片(6)包括应变片一(601)、应变片二(602)应变片三(603)、应变片四(604)、应变片五(605)、应变片六(606)、应变片七(607)、应变片八(608)、应变片九(609)、应变片十(610)、应变片十一(611)、应变片十二(612)、应变片十三(613)、应变片十四(614)、应变片十五(615)、应变片十六(616)、应变片十七(617)、应变片十八(618)、应变片十九(619)、应变片二十(620)、应变片二十一(621)、应变片二十二(622)、应变片二十三(623)以及应变片二十四(624)，所述应变片一(601)、应变片二(602)应变片三(603)以及应变片四(604)构成第一组惠斯通全桥，所述应变片五(605)、应变片六(606)、应变片七(607)以及应变片八(608)构成第二组惠斯通全桥，所述应变片二十一(621)、应变片二十二(622)、应变片二十三(623)以及应变片二十四(624)构成第三组惠斯通全桥，所述应变片十三(613)、应变片十四(614)、应变片十五(615)以及应变片十六(616)构成第四组惠斯通全桥，所述应变片十七(617)、应变片十八(618)、应变片十九(619)以及应变片二十(620)构成第五组惠斯通全桥，所述应变片九(609)、应变片十(610)、应变片十一(611)以及应变片十二(612)构成第六组惠斯通全桥，二十四个所述应变片(6)的初始电阻值相等，构成上述六组惠斯通全桥电路。
6.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述内弹性梁(3)包括第一内弹性梁(31)、第二内弹性梁(32)、第三内弹性梁(33)以及第四内弹性梁(34)，且沿圆周方向依次排列为第一内弹性梁(31)、第二内弹性梁(32)、第三内弹性梁(33)、第四内弹性梁(34)，所述外弹性梁(4)包括第一外弹性梁(41)、第二外弹性梁(42)、第三外弹性梁(43)、第四外弹性梁(44)、第五外弹性梁(45)、第六外弹性梁(46)、第七外弹性梁(47)以及第八外弹性梁(48)，且沿圆周方向依次排列为第一外弹性梁(41)、第二外弹性梁(42)、第三外弹性梁(43)、第四外弹性梁(44)、第五外弹性梁(45)、第六外弹性梁(46)、第七外弹性梁(47)以及第八外弹性梁(48)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181130 |