CN109632159B - 一种六维力和力矩传感器 - Google Patents

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    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance

Abstract

本发明提供了一种六维力和力矩传感器，属于传感器技术领域。它解决了现有的六维力和力矩传感器量程小的问题。本六维力和力矩传感器，包括弹性体，弹性体具有支撑框架、位于支撑框架内的轴台和四根围绕轴台间隔布置的弹性梁，弹性梁的一端与支撑框架连接、另一端与轴台连接，弹性梁的一端为大头端、另一端为小头端，弹性梁从大头端至小头端逐渐缩小，弹性梁与轴台连接的一端为大头端，弹性梁与支撑框架连接的一端为小头端。本结构通过改变弹性梁的形状的方式来提高传感器的量程，实现传感器的结构小尺寸、轻量化的设计，减小传感器运行时的惯性，从而获得较高的检测灵敏度，并且本传感器结构简单、易于加工。

Description

一种六维力和力矩传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是一种六维力和力矩传感器。
背景技术
六维力传感器是一种可以同时检测3个力分量和3个力矩分量的力传感器，根据X、Y、Z方向的力分量和力矩分量可以得到合力和合力矩，电阻应变式测力原理是目前广义六维力传感器中应用最多的一种。例如，中国专利网公开了一种应变式的六维力传感器【授权公告号：CN202720078U】，它包括弹性体，弹性体包括传感器支架、位于该支架中间的加载台及位于支架内部并连接该加载台与传感器支架的十字梁；另外，中国专利网还公开了一种结构紧凑的应变式六维力传感器【授权公告号：CN205333238U】，包括底座弹性体和十字平行梁弹性体，十字平行梁弹性体的中间部分为用于施加作用力的加载台。上述两篇专利均公开了传感器的弹性体为十字形结构，这种结构的弹性体的刚度较低，量程较小，随着工业制造的发展，尤其是具有大型机械臂的设备对于力与力矩传感器的性能方面往往要求测量更大的力以及较小的力矩，使得传统的传感器测量范围上产生不对称的需求，无法满足测量大力、小力矩的需求。
为了提高传感器的刚度使得传感器的量程增大，目前，中国专利网公开了一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器【授权公告号：CN103076131A】，包括中心轴、力敏元件、底座和应变片组件，力敏元件包括四根弹性主梁、四根弹性副梁、呈正八角形的中心轴台、四个固定台、四个主浮动梁和四个副浮动梁，四个固定台均匀分布在中心轴台周边，主浮动梁固定连接在相邻的两个固定台之间，每个副浮动梁固定连接在一个固定台上，每根弹性主梁的一端固定连接在中心轴台的侧壁上，每根弹性主梁的另一端固定连接在主浮动梁上，每根弹性副梁的一端固定连接在中心轴台的侧壁上，每根弹性副梁的另一端固定连接在副浮动梁上，弹性主梁和弹性副梁交替布置。
上述的六维力与力矩传感器通过增加弹性梁的数量来提高传感器对力的测量的刚度，进而提高测量力的量程，但是该结构传感器具有八根弹性梁，与传统的具有十字形弹性体的传感器相比，弹性梁的数目增加了一倍，力敏元件的体积变大、重量变重，传感器在运行过程中具有较大的惯性，较大的惯性会导致传感器检测灵敏度的降低；另外弹性梁的数目增加后，中心轴台需要八个安装面分别用于与弹性梁连接，使得传感器的结构更加的复杂，不方便加工制造。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种六维力和力矩传感器，本发明所要解决的技术问题是：如何在扩大传感器量程的同时实现传感器的轻量化设计。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种六维力和力矩传感器，包括弹性体，所述弹性体具有支撑框架、位于支撑框架内的轴台和四根围绕轴台间隔布置的弹性梁，所述弹性梁的一端与支撑框架连接、另一端与轴台连接，其特征在于，所述弹性梁的一端为大头端、另一端为小头端，所述弹性梁从大头端至小头端逐渐缩小，所述弹性梁与轴台连接的一端为大头端，所述弹性梁与支撑框架连接的一端为小头端。
本结构与现有技术中具有十字形弹性梁的传感器相比，现有技术中的十字形弹性梁是等截面的，本结构将弹性梁设置为弹性梁从大头端至小头端逐渐缩小的结构，弹性梁的横截面从小头端至大头端逐渐增大，截面越大刚度越大，使得弹性梁的刚度从小头端至大头端逐渐增大，进而使得弹性梁的形变性能从小头端至大头端逐渐降低，在使用过程中弹性梁的形变是从与支撑框架连接的一端开始的，并逐渐延伸至与轴台连接的一端，弹性梁的小头端与支撑框架连接的结构保证弹性梁与支撑框架连接的一端易发生形变，而弹性梁的大头端与轴台连接又能保证弹性梁在形变过程的结构强度，本结构通过改变弹性梁的形状来显著提高传感器的刚度，进而大大提高传感器的量程；而现有技术是通过增加弹性梁的个数来提高传感器的量程的，通过增加弹性梁的个数会增加传感器的重量、增大传感器的尺寸，体积大、重量重的传感器在运行过程中具有较大的惯性，较大的惯性会导致传感器检测灵敏度的降低，本结构在不增加弹性梁个数的情况下，通过改变弹性梁的形状的方式来提高传感器的量程，实现传感器的结构小尺寸、轻量化的设计，需要的能量小，减小传感器运行时的惯性，从而获得较高的检测灵敏度，并且本传感器结构简单、易于加工。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述弹性梁为等腰梯形结构或四棱台形结构。弹性梁为等腰梯形结构时，具体为从俯视方向看弹性梁的外轮廓为等腰梯形，且在弹性梁的长度方向上其厚度是不变的，弹性梁的宽度从一端到另一端是渐变的，宽度变化均匀，使得弹性梁的刚度增加的同时又能保证其能够稳定的发生形变。本弹性梁还可以为具有至少六个面的棱台形，还可以为圆台形杆状。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述轴台为方形结构，所述弹性梁的大头端与轴台的一侧面连接，且弹性梁大头端的宽度与轴台该侧面的宽度相同。该结构中弹性梁大头端的宽度较宽，提高弹性梁与轴台的连接结构强度，有利于提高弹性体的刚度，提高传感器的量程。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述支撑框架包括四个呈矩形分布的支撑体，所述支撑体呈扇形结构，相邻的支撑体之间通过支承梁连接，所述弹性梁的小头端连接在支承梁内侧壁的中部。该支撑框架的结构使得弹性梁和支承梁易发生形变，提高检测灵敏度。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，位于左侧的弹性梁前侧面上固定应变片S1、后侧面固定有应变片S2、上表面固定有应变片S9和应变片S13、下表面固定有应变片S10和应变片S14；位于右侧的弹性梁前侧面上固定应变片S3、后侧面固定有应变片S4、上表面固定有应变片S11和应变片S15、下表面固定有应变片S12和应变片S16；位于前侧的弹性梁左侧面上固定应变片S5和应变片S21、右侧面固定有应变片S6和应变片S22、上表面固定有应变片S17、下表面固定有应变片S18；位于前侧的弹性梁左侧面上固定应变片S5和应变片S21、右侧面固定有应变片S6和应变片S22、上表面固定有应变片S17、下表面固定有应变片S18；位于后侧的弹性梁左侧面上固定应变片S7和应变片S23、右侧面固定有应变片S8和应变片S24、上表面固定有应变片S19、下表面固定有应变片S20。应变片S1、S2、S3、S4组成一个惠斯通全桥电路，测量Fx作用下产生的应变；应变片S5、S6、S7、S8组成一个惠斯通全桥电路，测量Fy作用下产生的应变；应变片S9、S10、S11、S12组成一个惠斯通全桥电路，测量Fz作用下产生的应变；应变片S13、S14、S15、S16组成一个惠斯通全桥电路，测量Mx作用下产生的应变；应变片S17、S18、S19、S20组成一个惠斯通全桥电路，测量My作用下产生的应变；应变片S21、S22、S23、S24组成一个惠斯通全桥电路，测量Mz作用下产生的应变。本结构组成6个惠斯通全桥电路，采用惠斯通全桥电路能够消除非线性误差，且灵敏度更高。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述支撑框架、轴台和弹性梁为一体成型结构。本弹性体是在一整块料上通过钻孔、切削以及铣的方式加工出来的，弹性体的结构强度、刚度较高，有利于提高传感器的量程，并且避免了分体式结构弹性体的装配误差，提高传感器的检测灵敏度。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述六维力和力矩传感器还包括有底座和端盖，所述弹性体位于底座和端盖之间，且底座和端盖均与弹性体固定连接，所述弹性体的下表面与底座的上表面相贴靠，所述弹性体的上表面与端盖的下表面相贴靠，所述底座的上表面和端盖的下表面均开设有供弹性体形变的让位腔。底座、端盖和弹性体装配后形成传感器整体，方便传感器在机械臂上的安装，底座的让位腔和端盖的让位腔使得传感器在使用过程中弹性体能够发生变形，为弹性体的形变提供空间。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述轴台的上端部延伸至端盖的让位腔内，所述轴台与端盖之间通过紧固件连接。该结构使得轴台与端盖之间的距离更近，轴台与端盖通过紧固件连接后定位牢靠、连接稳固。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述支撑框架与底座之间通过紧固件连接。
在上述的一种六维力和力矩传感器中，所述底座的外侧壁上开设有连通让位腔的通孔。应变片通过导线连接形成检测电路后，导线穿过通孔向外引出。
与现有技术相比，本发明的六维力和力矩传感器具有以下优点：本结构通过改变弹性梁的形状的方式来提高传感器的量程，实现传感器的结构小尺寸、轻量化的设计，减小传感器运行时的惯性，从而获得较高的检测灵敏度，并且本传感器结构简单、易于加工。
附图说明
图1是本发明弹性体的立体结构示意图。
图2是本发明弹性体的俯视图。
图3是本发明弹性体的仰视图。
图4是本发明应变片组成的6个惠斯通全桥电路示意图。
图5是本发明传感器的立体结构示意图。
图6是本发明传感器的剖面结构示意图。
图7是对比例传感器的立体结构示意图。
图8是对比例的传感器受Fx力时的应变图。
图9是本发明的传感器受Fx力时的应变图。
图10是对比例的传感器受Fz力时的应变图。
图11是本发明的传感器受Fz力时的应变图。
图12是对比例的传感器受Mz力时的应变图。
图13是本发明的传感器受Mz力时的应变图。
图14是对比例的传感器受Mx力时的应变图。
图15是本发明的传感器受Mx力时的应变图。
图中，1、弹性体；11、支撑框架；11a、支撑体；11b、支承梁；12、轴台；13、弹性梁；13a、大头端；13b、小头端；2、应变片；3、底座；31、通孔；4、端盖；5、让位腔；6、紧固件。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本六维力和力矩传感器，包括弹性体1，弹性体1具有支撑框架11、位于支撑框架11内的轴台12和四根围绕轴台12间隔布置的弹性梁13，支撑框架11、轴台12和弹性梁13为一体成型结构，即本弹性体2是在一整块料上通过钻孔、切削以及铣的方式加工出来的。支撑框架11包括四个呈矩形分布的支撑体11a，支撑体11a呈扇形结构，相邻的支撑体11a之间通过支承梁11b连接，轴台12为方形结构，弹性梁13为等腰梯形结构，具体为从俯视方向看弹性梁13的外轮廓为等腰梯形，在弹性梁13的长度方向上其厚度是不变的；弹性梁13的小头端13b连接在支承梁11b内侧壁的中部，弹性梁13的大头端13a与轴台12的一侧面连接，且弹性梁13大头端13a的宽度与轴台12该侧面的宽度相同。
如图2、图3和图4所示，位于左侧的弹性梁13前侧面上固定应变片S1、后侧面固定有应变片S2、上表面固定有应变片S9和应变片S13、下表面固定有应变片S10和应变片S14；位于右侧的弹性梁13前侧面上固定应变片S3、后侧面固定有应变片S4、上表面固定有应变片S11和应变片S15、下表面固定有应变片S12和应变片S16；位于前侧的弹性梁13左侧面上固定应变片S5和应变片S21、右侧面固定有应变片S6和应变片S22、上表面固定有应变片S17、下表面固定有应变片S18；位于前侧的弹性梁13左侧面上固定应变片S5和应变片S21、右侧面固定有应变片S6和应变片S22、上表面固定有应变片S17、下表面固定有应变片S18；位于后侧的弹性梁13左侧面上固定应变片S7和应变片S23、右侧面固定有应变片S8和应变片S24、上表面固定有应变片S19、下表面固定有应变片S20。应变片S1、S2、S3、S4组成一个惠斯通全桥电路，测量Fx作用下产生的应变，应变片S5、S6、S7、S8组成一个惠斯通全桥电路，测量Fy作用下产生的应变，应变片S9、S10、S11、S12组成一个惠斯通全桥电路，测量Fz作用下产生的应变，应变片S13、S14、S15、S16组成一个惠斯通全桥电路，测量Mx作用下产生的应变，应变片S17、S18、S19、S20组成一个惠斯通全桥电路，测量My作用下产生的应变，应变片S21、S22、S23、S24组成一个惠斯通全桥电路，测量Mz作用下产生的应变，组成6个惠斯通全桥电路，采用惠斯通全桥电路能够消除非线性误差，且灵敏度更高。
如图5和图6所示，六维力和力矩传感器还包括有底座3和端盖4，弹性体1位于底座3和端盖4之间，支撑框架11与底座3之间通过紧固件6连接，轴台12的上端部延伸至端盖4的让位腔5内，轴台12与端盖4之间通过紧固件6连接，弹性体1的下表面与底座3的上表面相贴靠，弹性体1的上表面与端盖4的下表面相贴靠，底座3的上表面和端盖4的下表面均开设有供弹性体1形变的让位腔5，底座3的外侧壁上开设有连通让位腔5的通孔31。
弹性体1是应变式多维力传感器的核心部件,应变式多维力传感器的灵敏度和刚性由弹性体决定，通过测量弹性体的形变来推算所需要测量的外力是应变式多维力传感器的作用机理，传感器受力情况下变截面弹性梁会产生变形，从而引起梁表面上的应变片也发生形变，进一步产生电压信号，经过信号处理电路后就可以实现力信息的测量。下面通过实验对比分析，来证明本发明的六维力和力矩传感器的优良性能
作为对比例的六维力与力矩传感器(下文简称：对比例传感器)，对比例传感器的弹性体力敏元件结构如图7所示，对比例传感器的尺寸较大，弹性体结构中使用了等截面主梁，并采用了弹性副梁和副浮动梁；而本发明传感器的尺寸较小，使用了变截面弹性梁。具体结构尺寸参数对比如下表1所示。
表1传感器尺寸参数
尺寸(mm) 对比例传感器 本发明传感器
长度 78 42
宽度 78 42
厚度 7 7
通过有限元分析，对两种结构的六维力与力矩传感器的性能进行试验。实验中，对两者施加的力和力矩均相同，试验结果如图7-14所示，根据实验结果，将主要的数据列于表2。
表2主要试验结果
通过观察图8和图9可知：在受Fx力时，本发明传感器的弹性体梁13与对比例传感器的弹性梁具有几乎一致的形变规律。通过对比图可知：当Fx＝200N时，对比例的传感器最大应变为1.374e-4m，本发明的传感器的最大应变为1.981e-6m，说明本发明的传感器对Fx的刚度有很大提高。由于对比例传感器的最大应变是本发明的69.36倍，可以说本发明的传感器在69.36倍的施力条件下具有与对比例传感器相同的性能，因此，本发明传感器的量程约是对比例传感器的70倍。由于弹性梁13关于坐标轴对称，因此Fy和Fx的分析完全相同，仅仅是角度相差90°。
通过观察图10和图11可知：在受Fz力时，本发明传感器的弹性体梁13与对比例传感器的弹性梁具有几乎一致的形变规律。通过对比图可知：当Fz＝200N时，对比例传感器的最大应变为2.018e-4m，本发明的传感器的最大应变为1.526e-5m，对比例传感器的最大应变是本发明的13.22倍，说明本发明的传感器对Fz的刚度有所提高，可在13.22倍施加力条件下具有和对比例传感器相同的性能，因此，本发明传感器相应的量程约是对比例传感器的13倍。
通过观察图12和图13可知：在受Mz时，本发明传感器的弹性体梁13与对比例传感器的弹性梁具有几乎一致的形变规律。通过对比图可知：当Mz＝10N·m时，对比例传感器的最大应变为4.628e-4m，本发明的传感器的最大应变为9.053e-6m，对比例传感器的最大应变是本发明的51.12倍，说明本发明的传感器对Mz的刚度有很大提高，可在51.12倍施加力矩条件下具有和对比例传感器相同的性能，因此，本发明传感器相应的量程约是对比例传感器的51.12倍。
通过观察图14和图15可知：在受Mx时，本发明传感器的弹性体梁13与对比例传感器的弹性梁具有几乎一致的形变规律。通过对比图可知：当Mx＝10N·m时，对比例传感器最大应变为4.733e-4m，本发明的传感器的最大应变为4.528e-5m，对比例传感器的最大应变是本发明的10.45倍，说明本发明的传感器对Mz的刚度有所提高，可在10.45倍施加力矩条件下具有和对比例传感器相同的性能，因此，本发明传感器相应的量程约是对比例传感器的10倍。由于弹性梁13关于坐标轴对称，因此My和Mx的分析完全相同。
通过对比可看出，本传感器的尺寸远小于对比例传感器的尺寸，本结构在不增加弹性梁13个数的情况下，通过改变弹性梁13的形状的方式来提高传感器的量程，实现传感器的结构小尺寸、轻量化的设计，需要的能量小，减小传感器运行时的惯性，从而获得较高的检测灵敏度，与具有类似结构的大尺寸等截面十字形梁相比，本发明的变截面十字形弹性梁对力和力矩的刚度都有较大的提高，从而扩大测量量程10～70倍。因此，实际应用中，本发明在小尺寸要求下不增大尺寸就可以实现大量程的测量。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种六维力和力矩传感器，包括弹性体（1），所述弹性体（1）具有支撑框架（11）、位于支撑框架（11）内的轴台（12）和四根围绕轴台（12）间隔布置的弹性梁（13），所述弹性梁（13）的一端与支撑框架（11）连接、另一端与轴台（12）连接，其特征在于，所述弹性梁（13）的一端为大头端（13a）、另一端为小头端（13b），所述弹性梁（13）从大头端（13a）至小头端（13b）逐渐缩小，所述弹性梁（13）与轴台（12）连接的一端为大头端（13a），所述弹性梁（13）与支撑框架（11）连接的一端为小头端（13b）；所述轴台（12）为方形结构，所述弹性梁（13）的大头端（13a）与轴台（12）的一侧面连接，且弹性梁（13）大头端（13a）的宽度与轴台（12）该侧面的宽度相同；
位于左侧的弹性梁（13）前侧面上固定应变片S1、后侧面固定有应变片S2、上表面固定有应变片S9和应变片S13、下表面固定有应变片S10和应变片S14；
位于右侧的弹性梁（13）前侧面上固定应变片S3、后侧面固定有应变片S4、上表面固定有应变片S11和应变片S15、下表面固定有应变片S12和应变片S16；
位于前侧的弹性梁（13）左侧面上固定应变片S5和应变片S21、右侧面固定有应变片S6和应变片S22、上表面固定有应变片S17、下表面固定有应变片S18；
位于后侧的弹性梁（13）左侧面上固定应变片S7和应变片S23、右侧面固定有应变片S8和应变片S24、上表面固定有应变片S19、下表面固定有应变片S20；
应变片S1、S2、S3、S4组成一个惠斯通全桥电路，测量Fx作用下产生的应变；应变片S5、S6、S7、S8组成一个惠斯通全桥电路，测量Fy作用下产生的应变；应变片S9、S10、S11、S12组成一个惠斯通全桥电路，测量Fz作用下产生的应变；应变片S13、S14、S15、S16组成一个惠斯通全桥电路，测量Mx作用下产生的应变；应变片S17、S18、S19、S20组成一个惠斯通全桥电路，测量My作用下产生的应变；应变片S21、S22、S23、S24组成一个惠斯通全桥电路，测量Mz作用下产生的应变。
2.根据权利要求1所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述弹性梁（13）为等腰梯形结构或四棱台形结构。
3.根据权利要求1所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述支撑框架（11）包括四个呈矩形分布的支撑体（11a），所述支撑体（11a）呈扇形结构，相邻的支撑体（11a）之间通过支承梁（11b）连接，所述弹性梁（13）的小头端（13b）连接在支承梁（11b）内侧壁的中部。
4.根据权利要求1或2所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述支撑框架（11）、轴台（12）和弹性梁（13）为一体成型结构。
5.根据权利要求1所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述六维力和力矩传感器还包括有底座（3）和端盖（4），所述弹性体（1）位于底座（3）和端盖（4）之间，且底座（3）和端盖（4）均与弹性体（1）固定连接，所述弹性体（1）的下表面与底座（3）的上表面相贴靠，所述弹性体（1）的上表面与端盖（4）的下表面相贴靠，所述底座（3）的上表面和端盖（4）的下表面均开设有供弹性体（1）形变的让位腔（5）。
6.根据权利要求5所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述轴台（12）的上端部延伸至端盖（4）的让位腔（5）内，所述轴台（12）与端盖（4）之间通过紧固件（6）连接。
7.根据权利要求5所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述支撑框架（11）与底座（3）之间通过紧固件（6）连接。
8.根据权利要求5所述的一种六维力和力矩传感器，其特征在于，所述底座（3）的外侧壁上开设有连通让位腔（5）的通孔（31）。
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