CN108981987A - 一种小维间耦合弹性梁六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小维间耦合弹性梁六维力传感器，包括：外圈固定台（1）、两个X向弹性梁（2,8）、两个Y向弹性梁（4,6）、两个L字型结构传力梁（3,7）、中心固定台（5）、固定孔（9）、传力轴（10）、传力轴装配孔（11），其中两个X向弹性梁（2,8）的一端分别与外圈固定台（1）的内侧连接，且X向弹性梁的另一端通过一个L字型结构传力梁连接至一个Y向弹性梁的一端；Y向弹性梁的另一端分别连接至中心固定台（5）；通过传力轴装配孔（11）将传力轴（10）固定在中心固定台（5）上；X向弹性梁（2,8）、Y向弹性梁（4,6）表面均设置应变片。本发明能够防止各维力/力矩信号之间的相互干扰，减弱了六维力传感器的维间耦合情况，提高测量精确度。

Description

一种小维间耦合弹性梁六维力传感器

技术领域

本发明涉及一种小维间耦合弹性梁六维力传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

六维力传感器测量的是笛卡尔坐标系三维空间的三个力分量(F_x、F_y、F_z)和三个力矩分量(M_x、M_y、M_z)信息。具有丰富的传感器是机器人智能化的重要标志，六维力传感器是安装于机器人手臂和手爪之间的力觉传感器，用于检测机器人手在操作时与所处环境的接触力/力矩的大小和方向，并且反馈给机器人力控制系统，是机械臂实现力控制的信息获取装置，具有重要的研究价值。

六维力传感器在弹性体结构上应用最广泛的是十字梁型弹性体，在测量方式上主要使用压电式和电阻应变式。专利CN103528746A中公开了一种十字梁式六维力传感器弹性体，由内梁、外梁以及过载保护梁等组成，但是其结构复杂，受力应变较小，灵敏度不足；专利CN205333238U中公开了一种结构紧凑的应变式六维力传感器，它包括底座弹性体、十字梁弹性体等，但其结构复杂，加工精度需求高。

多维力/力矩传感器特有的维间耦合是制约传感器测量精度以及后续力反馈、力控制性能的主要问题，需要从测量原理，测量方法，新型弹性体结构设计等方面有创新突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种小维间耦合弹性梁六维力传感器，解决六维力传感器弹性体的结构复杂，并减小六维力传感器的测量误差的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种小维间耦合弹性梁六维力传感器，包括：外圈固定台、两个X向弹性梁、两个Y向弹性梁、两个L字型结构传力梁、中心固定台、固定孔、传力轴、传力轴装配孔，其中两个X向弹性梁的一端分别与外圈固定台的内侧连接，且每个X向弹性梁的另一端通过一个L字型结构传力梁连接至一个Y向弹性梁的一端；所述两个Y向弹性梁的另一端分别连接至中心固定台；所述中心固定台上设有传力轴装配孔，通过传力轴装配孔将传力轴固定在中心固定台上；所述外圈固定台的表面上设有固定孔；以及，所述两个X向弹性梁和两个Y向弹性梁的表面均设置应变片。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述应变片的数量为二十四个，且其中每四个不同位置的应变片组成一组惠斯通全桥电路。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述X向弹性梁的另一端与L字型结构传力梁的长臂垂直，且L字型结构传力梁的短臂与Y向弹性梁的一端垂直。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两个X向弹性梁、两个Y向弹性梁、两个L字型结构传力梁均为长方形。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两个X向弹性梁的中轴线均在中心固定台的竖向中轴线上。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两个Y向弹性梁的中轴线均在中心固定台的横向中轴线上。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述中心固定台的截面为正方形。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述固定孔为圆形螺孔。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括外壳，所述外壳通过固定孔固定至外圈固定台。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提供的一种小维间耦合弹性梁的六维力传感器，其弹性梁分为X向弹性梁，Y向弹性梁，两者通过L字型结构传力梁连接，使四根弹性梁在受到相应方向的作用力时作为柔性环节；Y向弹性梁与中心固定台连接，X向弹性梁与外圈固定台内侧连接，舍弃了传统十字梁型弹性体结构十字形梁壁与浮动梁的设计，结构更加简单紧凑；只有两个Y向弹性梁与中心台连接，使得弹性梁受力后形变更大，测量灵敏度更高，采用此结构设计的六组电桥电路可以有效地将各维力/力矩信号转化为电压值输出，并且能够防止各维力/力矩信号之间的相互干扰；采用此结构设计的梁臂贴片位置只存在两个方向的耦合，如F_x与M_z，F_z与M_x，减弱了六维力传感器的维间耦合情况，简化了解耦算法，提高测量精确度。

附图说明

图1为本发明小维间耦合弹性梁的六维力传感器弹性体结构示意图。

图2为本发明中应变片贴片位置示意图。

图3为本发明中应变片组成的六组惠斯通全桥电路示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

为方便描述方向，建立一个如图1所示的空间笛卡尔坐标系，在此基础上，本发明设计了一种小维间耦合弹性梁六维力传感器，如图1所示，具体包括：外圈固定台1、两个X向弹性梁2,8、两个Y向弹性梁4,6、两个L字型结构传力梁3,7、中心固定台5、固定孔9、传力轴10、传力轴装配孔11，其中两个X向弹性梁2,8的一端分别与外圈固定台1的内侧连接，且每个X向弹性梁2,8的另一端通过一个L字型结构传力梁3,7连接至一个Y向弹性梁4,6的一端；所述两个Y向弹性梁4,6的另一端分别连接至中心固定台5；所述中心固定台5上设有传力轴装配孔11，通过传力轴装配孔11将传力轴10固定在中心固定台5上；所述外圈固定台1的表面上设有固定孔9；以及，所述两个X向弹性梁2,8和两个Y向弹性梁4,6的表面均设置多个应变片。

本发明中，只有Y向弹性梁4,6与中心固定台5直接连接，使得受力弹性梁的形变更大，灵敏度更高。其中，所述两个X向弹性梁2,8、两个Y向弹性梁4,6、两个L字型结构传力梁3,7均可以为长方形，如横截面是6*4长方形的四棱柱，便于加工和贴片。

优选地，所述两个X向弹性梁2,8的中轴线均在中心固定台5的竖向中轴线上，两个Y向弹性梁4,6的中轴线在中心固定台5的横向中轴线上，保证了弹性体受力对称。并且，本发明使用L字型连接梁结构，所述X向弹性梁2,8的另一端与L字型结构传力梁3,7的长臂垂直，且L字型结构传力梁3,7的短臂与Y向弹性梁4,6的一端垂直，保证了力传递过程无角度偏差，通过L字型传力梁使四根弹性梁在受到相应方向的作用力时作为柔性环节。

所述中心固定台5的截面可以为正方形，方便加工，同时保证X方向和Y方向受力对称；所述外圈固定台1四周的固定孔9采用圆形螺孔。并且，本发明力传感器还包括外壳，所述外壳通过固定孔9固定至外圈固定台1。

优选地，本发明中所述应变片的数量为二十四个，即第一至第二十四应变片，所述应变片完全相同，即具有相同的初始阻值，在收缩时阻值减小，在延展时阻值增大。所述应变片贴在两个X向弹性梁2,8，Y向弹性梁4,6表面受各方向力/力矩产生形变最大的位置，所贴位置具体如图2所示，第一应变片R1，第二应变片R2贴覆在X向弹性梁2的两个侧表面，及第三应变片R3，第四应变片R4贴覆在X向弹性梁8的两个侧表面；第五应变片R5，第六应变片R6贴覆在Y向弹性梁4的两个侧表面，及第七应变片R7，第八应变片R8贴覆在Y向弹性梁6的两个侧表面；第九应变片R9，第十应变片R10分别贴覆在Y向弹性梁4的上表面和下表面，及第十一应变片R11，第十二应变片R12分别贴覆在Y向弹性梁6的上表面和下表面；第十三应变片R13，第十四应变片R14也分别贴覆在Y向弹性梁4的上表面和下表面，但与其贴覆的第九应变片R9，第十应变片R10不接触；及第十五应变片R15，第十六应变片R16也分别贴覆在Y向弹性梁6的上表面和下表面，但与第十一应变片R11，第十二应变片R12不接触；第十七应变片R17，第十八应变片R18分别贴覆在X向弹性梁2的上表面和下表面，及第十九应变片R19，第二十应变片R20分别贴覆在X向弹性梁8的上表面和下表面；第二十一应变片R21，第二十二应变片R22也分别贴覆在X向弹性梁2两个侧表面，但与其贴覆的第一应变片R1，第二应变片R2不接触；及第二十三应变片R23，第二十四应变片R24也分别贴覆在X向弹性梁8两个侧表面，但与其贴覆的第三应变片R3，第四应变片R4不接触。贴片具体位置需要通过对弹性梁进行力学分析，贴覆在弹性梁受力应变较大而与其他方向力/力矩耦合较小的位置，通常受力应变较大处为X向弹性梁和Y向弹性梁的末端，受到力矩应变较大处为X向弹性梁和Y向弹性梁的中部。

并且，所述每四个应变片组成一组惠斯通全桥电路，以组成六组惠斯通电桥测量三个方向的力和力矩。即第一应变片R1，第二应变片R2，第三应变片R3，第四应变片R4组成一组惠斯通电桥；第五应变片R5，第六应变片R6，第七应变片R7，第八应变片R8组成一组惠斯通电桥；第九应变片R9，第十应变片R10，第十一应变片R11，第十二应变片R12组成一组惠斯通电桥；第十三应变片R13，第十四应变片R14，第十五应变片R15，第十六应变片R16组成一组惠斯通电桥；第十七应变片R17，第十八应变片R18，第十九应变片R19，第二十应变片R20组成一组惠斯通电桥；第二十一应变片R21，第二十二应变片R22，第二十三应变片R23，第二十四应变片R24组成一组惠斯通电桥。

本发明的工作原理是：

当力传感器收到X方向的作用力F_x时，两个X向弹性梁发生弯曲变形，两个Y向弹性梁发生拉压形变且其变化量很小可忽略，此时F_x可通过黏贴在X向弹性梁两个侧表面的第一应变片R1，第二应变片R2，第三应变片R3，第四应变片R4组成给的惠斯通全桥电路测得。

当力传感器受到Y方向的作用力F_y时，两个Y向弹性梁发生弯曲变形，F_y即可通过黏贴在Y向弹性梁两个侧面的第五应变片R5，第六应变片R6，第七应变片R7，第八应变片R8组成给的惠斯通全桥电路测得。

当力传感器受到Z方向的作用力F_z时，两个Y向弹性梁发生弯曲变形，F_z即可通过黏贴在Y向弹性梁上表面和下表面的第九应变片R9，第十应变片R10，第十一应变片R11，第十二应变片R12组成给的惠斯通全桥电路测得。

当力传感器受到F_x方向的作用力矩M_x时，两个Y向弹性梁发生弯曲变形，且两个Y向弹性梁上表面和下表面的相同位置处产生的形变大小相等，方向相反，M_x即可通过黏贴在Y向弹性梁上表面和下表面的第十三应变片R13，第十四应变片R14，第十五应变片R15，第十六应变片R16组成给的惠斯通全桥电路测得。

当力传感器受到F_y方向的作用力矩M_y时，两个X向弹性梁发生弯曲变形，且两个X向弹性梁上表面和下表面的相同位置处产生的形变大小相等，方向相反，M_y即可通过黏贴在X向弹性梁上表面和下表面的第十七应变片R17，第十八应变片R18，第十九应变片R19，第二十应变片R20组成给的惠斯通全桥电路测得。

当力传感器受到Z方向作用力矩M_z时，两个X向弹性梁发生弯曲变形，且两个X向弹性梁两个侧面的相同位置处产生的形变大小相等，方向相反，M_z即可通过贴覆在X向弹性梁两个侧表面的第二十一应变片R21，第二十二应变片R22，第二十三应变片R23，第二十四应变片R24组成给的惠斯通全桥电路测得。

本发明中六维力/力矩通过共24片应变片组成6组惠斯通电桥来测量。当力传感器受到外界三维空间的力/力矩载荷的作用，在十字梁弹性体的应变片贴片处产生应变，应变片的零位电阻R₀将发生变化，六维力传感器特有的维间耦合情况会导致施加某个方向力/力矩时，多处应变片会产生应变，即产生维间耦合，本发明中通过合理设计结构，使得最多只有两个方向产生耦合情况，即F_x与M_z之间存在耦合，F_y与M_z之间存在耦合，F_z与M_y之间存在耦合，F_z与M_x之间存在耦合。根据应变片在弹性主梁上分布的对称性，耦合影响可以通过设计的惠斯通电桥来消除。

当弹性体分别受到三维空间的六个力/力矩分量正方向载荷作用时，各应变片阻值为：

R₁＝R₀+ΔR_Fx+ΔR_Mz；R₂＝R₀-ΔR_Fx-ΔR_Mz；

R₃＝R₀+ΔR_Fx-ΔR_Mz；R₄＝R₀-ΔR_Fx+ΔR_Mz；

R₅＝R₀-ΔR_Fy-ΔR_Mz；R₆＝R₀+ΔR_Fy+ΔR_Mz；

R₇＝R₀-ΔR_Fy+ΔR_Mz；R₈＝R₀+ΔR_Fy-ΔR_Mz；

R₉＝R₀-ΔR_Fz-ΔR_Mx；R₁₀＝R₀+ΔR_Fz+ΔR_Mx；

R₁₁＝R₀-ΔR_Fz+ΔR_Mx；R₁₂＝R₀+ΔR_Fz-ΔR_Mx；

R₁₃＝R₀-ΔR_Fz-ΔR_Mx；R₁₄＝R₀+ΔR_Fz+ΔR_Mx；

R₁₅＝R₀+ΔR_Fz-ΔR_Mx；R₁₆＝R₀-ΔR_Fz+ΔR_Mx；

R₁₇＝R₀-ΔR_Fz+ΔR_My；R₁₈＝R₀+ΔR_Fz-ΔR_My；

R₁₉＝R₀+ΔR_Fz+ΔR_My；R₂₀＝R₀-ΔR_Fz-ΔR_My；

R₂₁＝R₀+ΔR_Fx+ΔR_Mz；R₂₂＝R₀-ΔR_Fx-ΔR_Mz；

R₂₃＝R₀-ΔR_Fx+ΔR_Mz；R₂₄＝R₀+ΔR_Fx-ΔR_Mz； (1)

上式(1)中R₀为电阻应变片的零位电阻，R₁、R₂、...、R₂₄对应第一应变片、第二应变片、...、第二十四应变片的阻值，ΔR_Fx、ΔR_Fy、...、ΔR_Mz分别表示当力传感器受到Fx、F_y、...、M_z载荷作用后应变片阻值变化的绝对值。本发明中组桥方式如图3所示，对各个应变电桥通以工作电压E，继而可以得到六维力/力矩分量的输出表达式如式：

由上式(2)可知，在理想情况下，这六组电桥电路可以有效地将各维力/力矩信号转化为电压值输出，并且能够防止各维力/力矩信号之间的相互耦合干扰。从而可以简化解耦算法，提高六维力传感器测量精度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于，包括：外圈固定台（1）、两个X向弹性梁（2,8）、两个Y向弹性梁（4,6）、两个L字型结构传力梁（3,7）、中心固定台（5）、固定孔（9）、传力轴（10）、传力轴装配孔（11），其中,两个X向弹性梁（2,8）的一端分别与外圈固定台（1）的内侧连接，且每个X向弹性梁（2,8）的另一端通过一个L字型结构传力梁（3,7）连接至一个Y向弹性梁（4,6）的一端；所述两个Y向弹性梁（4,6）的另一端分别连接至中心固定台（5）；所述中心固定台（5）上设有传力轴装配孔（11），通过传力轴装配孔（11）将传力轴（10）固定在中心固定台（5）上；所述外圈固定台（1）的表面上设有固定孔（9）；以及，所述两个X向弹性梁（2,8）和两个Y向弹性梁（4,6）的表面均设置应变片。

2.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述应变片的数量为二十四个，且其中每四个不同位置的应变片组成一组惠斯通全桥电路。

3.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述X向弹性梁（2,8）的另一端与L字型结构传力梁（3,7）的长臂垂直，且L字型结构传力梁（3,7）的短臂与Y向弹性梁（4,6）的一端垂直。

4.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述两个X向弹性梁（2,8）、两个Y向弹性梁（4,6）、两个L字型结构传力梁（3,7）均为长方形。

5.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述两个X向弹性梁（2,8）的中轴线均在中心固定台（5）的竖向中轴线上。

6.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述两个Y向弹性梁（4,6）的中轴线均在中心固定台（5）的横向中轴线上。

7.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述中心固定台（5）的截面为正方形。

8.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：所述固定孔（9）为圆形螺孔。

9.根据权利要求1所述小维间耦合弹性梁六维力传感器，其特征在于：还包括外壳，所述外壳通过固定孔（9）固定至外圈固定台（1）。