CN109238531B - 一种双环式六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双环式六维力传感器，涉及传感器技术领域，各梁周向均布设置，各周向支撑和各中心台分别设于两个相邻的梁之间，周向支撑与其两侧的梁的外梁固连，中心台与其两侧的梁的内梁固连；内梁上贯通其上表面和下表面设内梁通孔，径向梁上分别贯通其上表面和下表面或其两侧面设径向梁竖向通孔或径向梁横向通孔，内梁通孔、径向梁竖向通孔和径向梁横向通孔两侧设电阻应变片。本发明双环式六维力弹性体的径向梁和内柔性梁的应变集中位置粘贴应变片，相较于一般的十字梁变形筋结构获得更高的分辨率和固有频率，根据力传感器原理，运用惠斯通全桥电路，实现六维力测量，并能有效避免维间力的相互干扰。

Description

一种双环式六维力传感器
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，提供了一种双浮动梁式六维力传感器。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种双环式六维力传感器，外梁和内梁分别连接于径向梁的外端和内端，构成工型结构的梁，各梁周向均布设置，其径向梁沿径向设置；各周向支撑和各中心台分别设于两个相邻的所述梁之间，所述周向支撑与其两侧的所述梁的所述外梁固连，所述中心台与其两侧的所述梁的所述内梁固连；
所述内梁上贯通其上表面和下表面设内梁通孔，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；所述内梁通孔、所述径向梁竖向通孔和所述径向梁横向通孔两侧设电阻应变片。
进一步的，所述内梁上设有两个所述内梁通孔，两个所述内梁通孔分别位于内梁中部且以径向梁为中心呈对称分布。
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所述径向梁竖向通孔之间留有间距。
进一步的，所述内梁通孔、所述径向梁竖向通孔和所述径向梁横向通孔的孔型呈连通的双圆柱型孔、矩形孔、腰型孔或哑铃型孔。
进一步的，所述中心台和所述周向支撑水平设置。
进一步的，所述内梁和所述外梁平行设置。
进一步的，所述梁的数量为四个，各所述梁与所述中心台共同构成十字梁变形筋结构。
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。
本发明提供了一种双环式六维力传感器，具有以下有益效果：
1、双环式六维力弹性体的径向梁和内柔性梁的应变集中位置粘贴电阻应变片，相较于一般的十字梁变形筋结构获得更高的分辨率和固有频率，根据力传感器原理，运用惠斯通全桥电路，实现六维力测量，并能有效避免维间力的相互干扰；
2、在各径向梁和内柔性梁上开设通孔，使得梁上应变集中在通孔的两侧，便于测量，能获得较高的检测灵敏度；
3、本发明的双环式柔性梁结构可使得六维力传感器弹性体获得了更大的频宽范围，有效提高了六维力传感器的动态性能。
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为本发明第二种结构的俯视图；
图3为本发明第二种结构A-A处的剖视图；
图4为本发明第三种结构示意图。
图5为本发明第四种结构的俯视图。
图中：
1、中心台；2、内梁；3、径向梁；4、外梁；5、周向支撑；6、内梁通孔；7、径向梁横向通孔；8、径向梁竖向通孔。
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：外梁4和内梁2分别连接于径向梁3的外端和内端，构成工型结构的梁，各梁周向均布设置，其径向梁3沿径向设置；各周向支撑5和各中心台1分别设于两个相邻的梁之间，周向支撑5与其两侧的梁的外梁4固连，中心台1与其两侧的梁的内梁2固连；
内梁2上贯通其上表面和下表面设内梁通孔6，径向梁3设有贯通其上表面和下表面的径向梁竖向通孔8和贯通其两侧面的径向梁横向通孔7；使梁上的应变集中于通孔的两侧，内梁通孔6、径向梁竖向通孔8和径向梁横向通孔7两侧设电阻应变片，于应变集中区域设置电阻应变片可以提高传感器测量的灵敏度。
优选的，内梁2上设有两个内梁通孔6，两个内梁通孔6分别位于内梁中部且以径向梁为中心呈对称分布。
优选的，径向梁横向通孔7与径向梁竖向通孔8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7与径向梁竖向通孔8之间留有间距。
优选的，内梁通孔6、径向梁竖向通孔8和径向梁横向通孔7的孔型呈连通的双圆柱型孔、矩形孔、腰型孔或哑铃型孔。实际使用时候，应根据所测区域的大小以及应变集中，设置内梁通孔6、径向梁横向通孔7和径向梁竖向通孔8的具体形式。
优选的，中心台1和周向支撑5水平设置。
优选的，内梁2和外梁4平行设置。
优选的，梁的数量为四个，各梁与中心台1共同构成十字梁变形筋结构。
优选的，梁的数量为三个，各梁呈120°夹角均匀布置。
如图4所示，周向支撑4还可以呈底部连接为整体的结构。实际使用时，周向支撑4只要能够有效支撑各梁即可，其具体结构形式没有严格限制。
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 (4)

1.一种双环式六维力传感器，其特征在于：外梁（4）和内梁（2）分别连接于径向梁（3）的外端和内端，构成工型结构的梁，各梁周向均布设置，其径向梁（3）沿径向设置；各周向支撑（5）和各中心台（1）分别设于两个相邻的所述梁之间，所述周向支撑（5）与其两侧的所述梁的所述外梁（4）固连，所述中心台（1）与其两侧的所述梁的所述内梁（2）固连；
所述内梁（2）上贯通其上表面和下表面设内梁通孔（6），所述径向梁（3）设有贯通其上表面和下表面的径向梁竖向通孔（8）和贯通其两侧面的径向梁横向通孔（7）；所述内梁通孔（6）、所述径向梁竖向通孔（8）和所述径向梁横向通孔（7）两侧设应变片；
所述内梁（2）上设有两个所述内梁通孔（6），两个所述内梁通孔（6）分别位于内梁中部且以径向梁为中心呈对称分布；
所述梁的数量为四个，各所述梁与所述中心台（1）共同构成十字梁变形筋结构，或所述梁的数量为三个，各所述梁呈120°夹角均匀布置；
所述径向梁横向通孔（7）与所述径向梁竖向通孔（8）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（7）与所述径向梁竖向通孔（8）之间留有间距。
2.根据权利要求1所述的一种双环式六维力传感器，其特征在于：所述内梁通孔（6）、所述径向梁竖向通孔（8）和所述径向梁横向通孔（7）的孔型呈连通的双圆柱型孔、矩形孔、腰型孔或哑铃型孔。
3.根据权利要求1所述的一种双环式六维力传感器，其特征在于：所述中心台（1）和所述周向支撑（5）水平设置。
4.根据权利要求1所述的一种双环式六维力传感器，其特征在于：所述内梁（2）和所述外梁（4）平行设置。
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