CN109238529A - 一种六维力传感器 - Google Patents

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王勇
李春风
胡珊珊
吕仲明
刘正士
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Abstract

本发明公开了一种六维力传感器,涉及传感器技术领域,径向梁外端连接至浮动梁中部,构成“T”梁;各梁周向均布设置,其径向梁沿径向设置,浮动梁竖向设置,各径向梁内端与中心台连接;各浮动梁的顶端和底端分别与周向支撑固连,中心台和周向支撑上设置定位孔;径向梁设有贯通其上表面和下表面的径向梁竖向通孔和贯通其两侧面的径向梁横向通孔,浮动梁设有贯通其两侧面的浮动梁横向通孔;径向梁竖向通孔、径向梁横向通孔和浮动梁横向通孔两侧设应变片。本发明的传感器各径向梁上设置横向通孔和竖向通孔,各浮动梁上设置横向通孔,使梁上的应变集中于各通孔两侧,能有效提高传感器的分辨率的同时保证传感器的刚度。

Description

一种六维力传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,具体涉及一种用于测量力的力传感器。
背景技术
多维力传感器是机器人获得与环境之间作用力的重要信息来源。目前,已有多方面的多维力传感器的研究,如美国DraPer研究所研制的Waston多维力传感器,中科院合肥智能所和东南大学联合研制的SAFMS型多维力传感器,基于Stewart平台的多维力传感器,黄心汉教授研究的HUST FS6型多维力传感器,德国的Dr.R.Seitner公司设计的二级并联结构型六维力传感器等等。国内外对多维力传感器做了大量的研究,所设计的多维力传感器多种多样,各有不同的优缺点及应用场合,但多维力传感器的解耦、刚度与灵敏度的矛盾等问题还需得到进一步的研究。
多维力传感器的敏感元件设计是力传感器应用的关键问题。就现有多维力传感器的弹性体的结构形式,难以同时对传感器的刚度和灵敏度作进一步的提高。此外,某些现有多维力传感器的弹性体还存在解耦问题。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处,提供了一种六维力传感器。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:一种六维力传感器,径向梁外端连接至浮动梁中部,构成T型结构的梁;各梁周向均布设置,其径向梁沿径向设置,浮动梁竖向设置,各所述径向梁内端与中心台连接;各所述浮动梁的顶端和底端分别与周向支撑固连,所述中心台和周向支撑上设置定位孔;
所述径向梁设有贯通其上表面和下表面的径向梁竖向通孔和贯通其两侧面的径向梁横向通孔,所述浮动梁上对称设有贯通其两侧面的浮动梁横向通孔;所述径向梁竖向通孔、所述径向梁横向通孔和所述浮动梁横向通孔两侧设应变片。
进一步的,设于各所述浮动梁顶端的各所述周向支撑构成整体式结构,设于各所述浮动梁底端的各所述周向支撑构成整体式结构。
进一步的,两个整体式结构的所述周向支撑通过均布设置于两者之间的各连接部构成一体式结构。
进一步的,各所述周向支撑分离设置,并通过传感器外壳连接为整体。
进一步的,所述径向梁横向通孔与所述径向梁竖向通孔设置在径向梁的两端并与其端部之间留有间距,所述径向梁横向通孔与径向梁竖向通孔之间留有间距。
进一步的,各所述径向梁和所述中心台水平设置,所述浮动梁竖直设置,所述横向通孔和横向通孔为水平通孔,所述竖向通孔为竖直通孔。
进一步的,所述竖向通孔、所述横向通孔和所述横向通孔的孔型呈连通的双圆柱型孔、矩形孔、腰孔或哑铃型孔。
进一步的,所述梁的数量为四个,各所述梁呈90°夹角均匀布置,构成“十”字结构。
进一步的,所述梁的数量为三个,各所述梁呈120°夹角均匀布置。
进一步的,所述中心台为圆台或方台。
本发明提供了一种六维力传感器,具有以下有益效果:
1、本发明的传感器各径向梁上设置横向通孔和竖向通孔,各浮动梁上设置横向通孔,使梁上的应变集中在横向通孔或竖向通孔两侧,便于使用应变片进行测量梁上的应变,能够有效提高了传感器的分辨率的同时保证传感器的刚度;
2、本发明的传感器采用横梁和竖梁相结合的“T”型梁结构,使得该传感器在获得高灵敏度的同时,兼具高承载能力;
3、本发明的传感器采用对称式结构,浮动梁竖向设置,能够实现六维力传感器在结构上解耦;
4、弹性体可整体加工,减少重复性误差,且其结构简单,易于加工。
附图说明
图1为本发明第一种结构的结构示意图;
图2为本发明第一种结构的俯视图;
图3为本发明第一种结构A-A处的剖视图;
图4为本发明第二种结构的结构示意图;
图5为本发明第三种结构的结构示意图。
图中:
1、中心台,2、径向梁,3、浮动梁,4、周向支撑,5、径向梁横向通孔,6、径向梁竖向通孔,7、浮动梁横向通孔,8、定位孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1~图5所示,其结构关系为:径向梁2外端连接至浮动梁3中部,构成T型结构的梁;各梁周向均布设置,其径向梁2沿径向设置,浮动梁3竖向设置,各径向梁2内端与中心台1连接;各浮动梁3的顶端和底端分别与周向支撑4固连,中心台1和周向支撑4上设置定位孔8;
径向梁2设有贯通其上表面和下表面的径向梁竖向通孔6和贯通其两侧面的径向梁横向通孔5,浮动梁3上对称设有贯通其两侧面的浮动梁横向通孔7;径向梁竖向通孔6、径向梁横向通孔5和浮动梁横向通孔7两侧设应变片。
优选的,设于各浮动梁3顶端的各周向支撑4构成整体式结构,设于各浮动梁3底端的各周向支撑4构成整体式结构。
优选的,两个整体式结构的周向支撑4通过均布设置于两者之间的各连接部构成一体式结构。
优选的,各周向支撑4分离设置,并通过传感器外壳连接为整体。
优选的,径向梁横向通孔5与径向梁竖向通孔6设置在径向梁3的两端并与其端部之间留有间距,径向梁横向通孔5与径向梁竖向通孔6之间留有间距。
优选的,各径向梁2和中心台1水平设置,浮动梁3竖直设置,横向通孔5和横向通孔7为水平通孔,竖向通孔6为竖直通孔。
优选的,竖向通孔6、横向通孔5和横向通孔7的孔型呈连通的双圆柱型孔、矩形孔、腰孔或哑铃型孔。
优选的,梁的数量为四个,各梁呈90°夹角均匀布置,构成“十”字结构。
优选的,梁的数量为三个,各梁呈120°夹角均匀布置。
优选的,中心台1为圆台或方台。
实施例1
本实施例采用本发明第一种结构。
在保持外形尺寸一致的前提下对传统十字梁结构的传感器及本发明第一种结构进行测试。
传统十字梁结构传感器测试结果如下:
本发明测试结果如下:
由上述结果可以得知,本发明与现有的十字梁结构传感器相比,在保证分辨力小幅提高的基础上(体现为数值减小),各向刚度均大幅提高。
同时,因分辨力和刚度为一组关联的性能数据,控制其他变量的情况下刚度的提高必然导致分辨力下降,相应的刚度下降分辨力即会提高,从上述数据可以无疑义地推得,在保证刚度小幅提高的基础上,本发明相较于传统的十字梁结构传感器,分辨力可以得到大幅提升。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种六维力传感器,其特征在于:径向梁(2)外端连接至浮动梁(3)中部,构成T型结构的梁;各梁周向均布设置,其径向梁(2)沿径向设置,浮动梁(3)竖向设置,各所述径向梁(2)内端与中心台(1)连接;各所述浮动梁(3)的顶端和底端分别与周向支撑(4)固连,所述中心台(1)和周向支撑(4)上设置定位孔(8);
所述径向梁(2)设有贯通其上表面和下表面的径向梁竖向通孔(6)和贯通其两侧面的径向梁横向通孔(5),所述浮动梁(3)上对称设有贯通其两侧面的浮动梁横向通孔(7);所述径向梁竖向通孔(6)、所述径向梁横向通孔(5)和所述浮动梁横向通孔(7)两侧设应变片。
2.根据权利要求1所述的一种六维力传感器,其特征在于:设于各所述浮动梁(3)顶端的各所述周向支撑(4)构成整体式结构,设于各所述浮动梁(3)底端的各所述周向支撑(4)构成整体式结构。
3.根据权利要求2所述的一种六维力传感器,其特征在于:两个整体式结构的所述周向支撑(4)通过均布设置于两者之间的各连接部构成一体式结构。
4.根据权利要求1所述的一种六维力传感器,其特征在于:各所述周向支撑(4)分离设置,并通过传感器外壳连接为整体。
5.根据权利要求2~4中任一项所述的一种六维力传感器,其特征在于:所述径向梁横向通孔(5)与所述径向梁竖向通孔(6)设置在径向梁(3)的两端并与其端部之间留有间距,所述径向梁横向通孔(5)与径向梁竖向通孔(6)之间留有间距。
6.根据权利要求2~4中任一项所述的一种六维力传感器,其特征在于:各所述径向梁(2)和所述中心台(1)水平设置,所述浮动梁(3)竖直设置,所述横向通孔(5)和横向通孔(7)为水平通孔,所述竖向通孔(6)为竖直通孔。
7.根据权利要求2~4中任一项所述的一种六维力传感器,其特征在于:所述竖向通孔(6)、所述横向通孔(5)和所述横向通孔(7)的孔型呈连通的双圆柱型孔、矩形孔、腰孔或哑铃型孔。
8.根据权利要求1所述的一种六维力传感器,其特征在于:所述梁的数量为四个,各所述梁呈90°夹角均匀布置,构成“十”字结构。
9.根据权利要求1所述的一种六维力传感器,其特征在于:所述梁的数量为三个,各所述梁呈120°夹角均匀布置。
10.根据权利要求1所述的一种六维力传感器,其特征在于:所述中心台(1)为圆台或方台。
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