CN109974917B - 一种应变集中的六维力传感器布片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变集中的六维力传感器布片结构，包括传力盘、弹性连接梁和应变片，弹性连接梁的两端分别连接传力盘，弹性连接梁构型为细梁‑平面‑细梁的结构分布，上下细梁作为连接和传导力的媒介，将应变片粘贴在平面上，用于检测信号，通过上下细梁对中间检测平面的不同角度挤压，将拉压方向的应变检测变为拉压方向的应变检测，从而实现对传统Stewart结构六维力传感器贴片结构的改进。本发明相比现有技术，能增大应变信号，保证切应力集中，使得小型传感器成本降低，精度提升。

Description

一种应变集中的六维力传感器布片结构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种应变集中的六维力传感器布片结构。

背景技术

近几年，机器换人成为热潮，工业机器人市场火爆。为使机器人提高适应能力,及时检测到作业环境，六维力传感器广泛应用于遥控机器人、机器人手术、机械手臂研究、手指力研究、精密装配等工作中。

六维力传感器指的是一种能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，目前广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。而Stewart结构具有刚度高、对称性好、结构紧凑、解耦特性好等优点，特别适合作为六维力传感器力敏元件结构。市面上的Stewart结构六维力传感器应变检测位置主要有两种形式：一是弹性连接梁为规则形状，不改变其构型，仅在六个弹性梁上张贴应变片，用以检测弹性梁上的拉压方向应变，此种方法信号不稳定，对传感器体积要求较大，不适应用小型精细测量。二是弹性连接梁中间设置薄片，用于放置应变片，检测弹性连接梁的拉压应变，此种方法相对而言提高了稳定性，但是拉压方向应变始终变化较小，因此在小型传感器中信号较弱，测量精度不高，若使用小型应变片，成本较高。这两种方法都应用拉压方向应变作为检测信号，存在信号较小，从而导致传感器尺寸较大的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种应变集中的六维力传感器布片结构，对弹性连接梁重新进行设计，在传感器的弹性连接梁上对其不同部位尺寸进行修改，添加检测平面，并保持细梁的上下部分与检测平面保持一定几何关系，使得拉压方向的应变变为剪切方向的应变，增大应变信号，保证切应力集中。在中小型关节力及力矩测量的工作要求下，最终实现使用Stewart结构传感器进行稳定测量的效果，同时降低成本，提高精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决传统Stewart结构六维传感器的信号弱、稳定性差、成本高、精度低。

为实现上述目的，本发明提供了一种应变集中的六维力传感器布片结构，包括传力盘、弹性连接梁和应变片，所述弹性连接梁的两端分别连接所述传力盘，所述连接梁构型为细梁-平面-细梁的结构分布，所述应变片在所述平面上。

进一步地，所述传力盘与所述弹性连接梁的连接方式为固定连接、可拆卸连接和一体连接的一种。

进一步地，所述平面由三个面体组成，整体呈工字形。

进一步地，所述平面材料厚度尺寸小于等于1mm。

进一步地，所述平面纵向长度尺寸与横向宽度尺寸与应变片尺寸相适应。

进一步地，所述弹性连接梁上下两个细梁的不同边线放置于所述平面纵向长度尺寸的中线附近，两边线间距小于等于1mm。

进一步地，所述细梁连接部分长度小于等于所述平面纵向长度尺寸的二分之一。

进一步地，所述平面设置有槽口。

进一步地，所述应变片采用粘贴的方式固定在所述平面槽口上

进一步地，所述两个细梁相互部分错开。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明采用了弹性连接梁的分块设计。分为上中下三块，上下细梁作为连接和传导力的媒介，应变片粘贴在平面上，用于检测信号，通过将拉压方向的应变变为拉压方向的应变，保证切应力集中，增大应变信号，方便使用常规应变片进行检测，降低使用成本，同时提高检测精度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的整体结构示意图；

图2是图1中所示结构中的某一弹性连接梁的三部分连接示意图；

图3是图1中所示结构中的某一弹性连接梁整体结构示意图；

图4是本发明实施例二中的整体结构示意图；

图5是图4中所示结构中的某一弹性连接梁整体结构示意图；

图6是传感器的整体结构及上下铰链位置信息示意图；

图7是本发明实施例二中的检测平面处应变信号检测示意图；

图8是本发明实施例二中的铰链处应变信号检测示意图。

其中，1-信号检测平面，2-弹性连接梁，3-上传力盘，4-下传力盘。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一：

如图1、图2、图3所示，一种应变集中的六维力传感器布片结构，包括弹性连接梁2、上传力盘3、下传力盘4和检测平面1，六根弹性连接梁2用于上传力盘3和下传力盘4的连接，并承受关节的六个维度的力作用。弹性连接梁2上设有应变集中的特殊结构，弹性连接梁2的构型为细梁-平面-细梁的结构分布，上下细梁为连接和传导力的媒介，平面包括厚度、长度、宽度三个尺寸，厚度尺寸不得多于1毫米，长度和宽度尺寸要与相应应变片尺寸相适应。平面设置槽口，方便应变片的放置和粘贴，将应变片粘贴在平面上，组成检测平面1，用于检测信号，应变片张贴位置保持清洁和平滑，减少信号噪声影响，通过上下细梁对中间检测平面1的不同角度挤压，将拉压方向的应变检测变为拉压方向的应变检测，从而实现对传统Stewart结构六维力传感器贴片结构的改进。如图2、3所示，检测平面厚度尺寸a小于等于1mm，纵向长度尺寸b与横向宽度尺寸c应与应变片尺寸相适应，弹性连接梁上下两个细梁的不同边线放置于检测平面尺寸b的中线附近，弹性连接梁细梁部分小于等于尺寸b的一半。

实施例二：

如图4、图5所示，一种应变集中的六维力传感器布片结构，包括弹性连接梁2、上传力盘3、下传力盘4和检测平面1，弹性连接梁2的结构不限于长方体，可以为任意不规则形状，保持上下细梁部分靠近中间检测平面1的中线位置，保证切应力集中，不限于中线位置。上下细梁外侧可延伸，与检测平面1外侧共线。

使用本六维传感器的方法为：

将上传力盘与输出部件装配，下传力盘与谐波等装置装配。在机器人运动过程中，通过应变片检测出实时监测信号，通过与标定数据相对比，计算出此时各个测力分支上力的大小，再通过下面的步骤计算出作用于上传力盘的六维力的大小。

传感器结构及符号如图6所示，将传感器的六个测力分支逆时针依次标号为第1、2、…、6根测力分支，则记第i(i为1～6间的某一整数)根测力分支与下传力盘相连接处的柔性铰的中点(即柔性铰最小横截面的圆心)为A_i，记第i根测力分支与上传力盘相连接处的柔性铰的中点为B_i。以下传力盘上某一点O作为原点，建立坐标系{s}。记

其中i表示测力分支的序号，

表示以坐标系{s}的原点O作为起点以A_i作为终点的向量。记

其中

表示以A_i为起点以B_i为终点的向量，

表示对向量取模。记τ_i为第i个测力分支上的力，该力可根据应变片的变形率和材料的物理特性计算得到。若传感器上传力盘上受到的六维力在坐标系{s}中表示为F(一个6×1的列向量)，那么其大小可通过

计算得到。在传感器下传力盘固定后，在上传力盘处施加垂直向下的150N力后的结果如图7、图8仿真云图所示，其中图7为应变云图，图8为应力云图。

分析workbench仿真数据可得：

	在贴片处	在铰链处
			应力	1.28e+008	5.97e+007
应变(信号)	1.78e-003	7.65e-004

综上，可以得出以下结论：

(1)在检测平面处所检测的应变信号虽会随着检测平面的厚度变化而有所变化，但数据符合检测要求。

(2)在铰链处的应变和应力相对于检测平面的数据减少了一个数量级，符合传感器柔性铰的工作要求。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“平”、“长”、“宽”、“厚”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位、位置或尺寸关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，包括传力盘、六个弹性连接梁和应变片，所述传力盘包括上传力盘和下传力盘，每个弹性连接梁作为一个测力分支，每个弹性连接梁的两端分别连接所述上传力盘和所述下传力盘，所述弹性连接梁构型为细梁-平面-细梁的结构分布，所述弹性连接梁上下两个细梁的轴线放置于所述平面纵向长度尺寸的中线两侧，所述应变片在所述平面上；

所述六维力传感器布片结构，先通过所述应变片检测出实时监测信号，然后通过与标定数据相对比，计算出各个测力分支上力的大小，最后再通过下面的步骤计算出作用于所述上传力盘的六维力的大小，具体步骤为：

将传感器的六个测力分支逆时针依次标号为第1、2、…、6根测力分支，并记第i根测力分支与所述下传力盘相连接处的柔性铰的中点为A_i，记第i根测力分支与所述上传力盘相连接处的柔性铰的中点为B_i，其中，i为1～6间的某一整数；

以所述下传力盘上某一点O作为原点，建立坐标系{s}；

记

其中i表示测力分支的序号，

表示以坐标系{s}的原点O作为起点以A_i作为终点的向量；

记

其中

表示以A_i为起点以B_i为终点的向量；

表示对向量取模；

记τ_i为第i个测力分支上的力，τ_i可根据所述应变片的变形率和材料的物理特性计算得到；

若所述上传力盘上受到的六维力在坐标系{s}中表示为F，其中F为一个6×1的列向量，那么F的大小可通过下式计算得出：

2.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述传力盘与所述弹性连接梁的连接方式为固定连接、可拆卸连接和一体连接中的一种。

3.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述平面由三个面体组成，整体呈工字形。

4.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述平面的厚度小于等于1mm。

5.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述平面纵向长度尺寸与横向宽度尺寸与所述应变片尺寸相适应。

6.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述弹性连接梁上下两个细梁的靠近所述平面纵向长度尺寸中线的两边线间距小于等于1mm。

7.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述细梁与所述平面连接部分长度小于等于所述平面纵向长度尺寸的二分之一。

8.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述平面设置有槽口。

9.如权利要求8所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述应变片采用粘贴的方式固定在所述平面的槽口上。

10.如权利要求1所述的应变集中的六维力传感器布片结构，其特征在于，所述弹性连接梁的上下两个细梁相互错开。

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