CN109974919B - 一种六维力传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六维力传感装置，包括与支持部件相连的第一部件，传递六维力的刚性第二部件，将第一部件和第二部件的相对面压力变化转化为数字信号的感应单元。现有技术中应用应变片和弹性梁的六维力传感装置存在以下问题：(1)应变片存在形变极限，大量程情况下，灵敏度低；采用粘贴形式固定应变片，粘贴用胶长时间服役会粘度下降甚至脱落；(2)弹性梁易发生塑性形变，使传感器失灵。本发明提供一种六维力传感装置，采用磁流变弹性体代替应变片，与接触面过盈配合，刚性梁代替弹性梁；磁流变弹性体的基体为橡胶，极难损坏且灵敏度更高，避免了使用粘贴用胶；刚性梁代替弹性梁，有效的防止了梁的塑性变形，解决了现有技术问题。

Description

一种六维力传感装置

技术领域

本发明涉及传感装置技术领域，具体的，是一种六维力传感装置。

背景技术

现有的六维力传感装置内部多使用弹性梁和应变片，通过在外部荷载作用下结构变形的最大区域粘贴应变片，通过采集应变片的电压数据，最终得出六维力传感器的力和力矩的数据。现有技术存在以下问题：1、应变片形变量存在极限，容易损坏；在大量程的情况下，灵敏度低；2、六维力传感器采用弹性变形梁，梁受力后产生形变，应变片通过感知梁的形变，感知力和力矩的大小，但是弹性变形梁易发生塑性形变；3、传统六维力传感装置在弹性梁上粘贴应变片，应变片粘贴用胶在长时间服役下会发生脱落且粘度下降。因此，有必要基于现有技术中应用应变片和弹性梁的六维力传感装置进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种六维力传感装置，采用磁流变弹性体代替应变片，磁流变弹性体的基体为橡胶，相对于应变片，难损坏且灵敏度更高；以刚性梁代替弹性变形梁，有效的防止了梁的塑性变形；磁流变弹性体与接触面均为过盈配合，相对于传统六维力传感装置在弹性梁上粘贴应变片的形式，解决了应变片粘贴用胶在长时间服役下发生脱落、粘度下降，应变片感应失灵的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种六维力传感装置，包括与支持部件相连的第一部件，传递六维力的第二部件，第二部件为刚体，以及用于将第一部件和第二部件的相对面压力变化转化为数字信号的感应单元(5)，感应单元(5)通过磁流变弹性体将相对面压力变化转化为电信号。本发明采用磁流变弹性体作为感应单元代替传统应变片，磁流变弹性体的基体为橡胶，极难损坏且灵敏度更高；本发明以刚性梁代替弹性梁，有效的防止了梁的塑性变形。

作为一种优选的技术方案，第一部件包括与支持部件相连的传感器底座(1)、与传感器底座(1)一体化成型的过载保护台(2)，与传感器底座(1)相连的壳体(7)，过载保护台(2)上设有凸台(14)，凸台(14)上设有第二凹槽(15)，过载保护台(2)具有保护传感器底座(1)的功能，凸台(14)上设有第二凹槽(15)可用于固定感应单元(5)。

作为一种优选的技术方案，第二部件包括十字梁结构，十字梁结构包括下层十字梁(3)与上层十字梁(4)，且相互交错配合，一体化成型，采用该结构的梁，可合理的将六维力转变为感应单元(5)所受的压力，有利于数据采集以及后期的数据处理。

作为一种优选的技术方案，上层十字梁(4)与下层十字梁(3)呈45度角相互交错，下层十字梁(3)由X向梁(31)和Y向梁(32)正交组成，上层十字梁(4)上表面设置第一凹槽(10)，采用该结构的梁，可更加合理的将六维力转变为感应单元(5)所受的压力，有利于数据采集以及后期的数据处理，第一凹槽(10)可用于固定感应单元(5)，避免感应单元(5)发生偏移。

作为一种优选的技术方案，第二部件包括传力轴(6)与连接板(8)，传力轴(6)与连接板(8)一体化成型，可使六维力从连接板(8)传递到传力轴(6)过程中不发生损耗。

作为一种优选的技术方案，传感器底座(1)与壳体(7)之间有第二弹性垫片(13)，可在减震的同时防止元器件之间的磨损。

作为一种优选的技术方案，传感器底座(1)与下层十字梁(3)以螺栓连接，传感器底座(1)与壳体(7)以螺栓连接，可以通过旋转传感器底座(1)与下层十字梁(3)之间的螺栓使位于下层十字梁(3)与传感器底座(1)之间的感应单元(5)与接触面过盈配合。

作为一种优选的技术方案，传感器底座(1)与下层十字梁(3)之间有第一弹性垫片(12)，可在减震的同时防止元器件之间的磨损。

作为一种优选的技术方案，传力轴(6)与壳体(7)之间有垫圈(11)，避免六维力传递至传感器壳体(7)时发生损耗。

作为一种优选的技术方案，感应单元具体为22片，分别为R₁、R₂,…,R₂₂，并分布在所述上层十字梁(4)与所述下层十字梁(3)的表面，具体设置方法如下：第一凹槽(10)上均设置一片感应单元(5)，分别为R₉、R₁₁、R₁₃、R₁₅；第二凹槽(15)上均设置一片感应单元(5)，分别为R₁₀、R₁₂、R₁₄、R₁₆；X向梁(31)的水平两侧各设置一片感应单元(5)，分别为R₅、R₆、R₇、R₈；Y向梁(32)的水平两侧各相邻设置两片感应单元(5)，分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀；上层十字梁(4)上表面中部设置一片感应单元(5)R₂₁；下层十字梁(4)下表面中部设置一片感应单元(5)R₂₂。采用上述方式设置感应单元(5)便于利用受力平衡条件，通过每个感应单元(5)的压力求出六维力的每个分量。

相比于现有的技术方案

该发明具有以下优点：

(1)采用磁流变弹性体代替应变片，磁流变弹性体的基体为橡胶，极难损坏且灵敏度更高；不选择用胶粘贴的形式固定感应单元(5)，避免了粘贴用胶在长时间服役下粘度下降进而脱落，造成应变片感应失灵的问题。

(2)以刚性梁代替弹性梁，有效的防止了梁的塑性变形。

(3)相对于传统六维力传感装置在弹性梁上粘贴应变片的形式，本发明采用特殊的结构和位置来设置感应单元(5)，感应单元(5)与接触面均为过盈配合，解决了应变片粘贴用胶在长时间服役下发生脱落、粘度下降，应变片感应失灵的问题。

附图说明

图1是本发明一种六维力传感装置实施例的外观示意图。

图2是本发明一种六维力传感装置实施例的去外壳整体连接示意图。

图3是本发明一种六维力传感装置实施例的第二部件示意图。

图4是本发明一种六维力传感装置实施例的底座示意图。

图5是本发明一种六维力传感装置实施例的磁流变弹性体位置立体示意图。附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：传感器底座(1)、过载保护台(2)、下层十字梁(3)、上层十字梁(4)、感应单元(5)、传力轴(6)、壳体(7)、连接板(8)、磁流变弹性体片(9)、第一凹槽(10)、垫圈(11)、第一弹性垫片(12)、第二弹性垫片(13)、凸台(14)、第二凹槽(15)、X方向梁(31)、Y方向梁(32)。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种六维力传感装置，包括与支持部件相连的第一部件，传递六维力的第二部件，第二部件为刚体，以及用于将第一部件和第二部件的相对面压力变化转化为数字信号的感应单元(5)，感应单元(5)通过磁流变弹性体将相对面压力变化转化为电信号。支持部件可以为机器人手臂等用于固定传感装置的机构，与传感装置底座连接。第二部件还可以是带有孔的圆台结构，带有梁的圆环状等结构形式的刚性部件。

图1、图4所示，第一部件包括与支持部件相连的传感器底座(1)、与传感器底座(1)一体化成型的过载保护台(2)，与传感器底座(1)相连的壳体(7)，过载保护台(2)上设有凸台(14)，凸台(14)上设有第二凹槽(15)。

图2、图3所示，第二部件包括十字梁结构、传力轴(6)与连接板(8)，十字梁结构包括下层十字梁(3)与上层十字梁(4)，上层十字梁(4)与下层十字梁(3)呈45度角相互交错，下层十字梁(3)由X向梁(31)和Y向梁(32)正交组成，上层十字梁(4)上表面设置第一凹槽(10)，传力轴(6)与连接板(8)一体化成型。

图2所示，传力轴(6)与壳体(7)之间有垫圈(11)。

图4所示，传感器底座(1)与下层十字梁(3)之间有第一弹性垫片(12)

图1所示，传感器底座(1)与壳体(7)之间有第二弹性垫片(13)。

如图5所示，感应单元(5)具体为22片，分别为R₁、R₂,…,R₂₂并分布在所述上层十字梁(4)与所述下层十字梁(3)的表面，上层十字梁(4)与下层十字梁(3)表面按如下形式分布感应单元(5)：第一凹槽(10)上均设置一个感应单元(5)，分别为R₉、R₁₁、R₁₃、R₁₅；第二凹槽(15)上均设置一个感应单元(5)，分别为R₁₀、R₁₂、R₁₄、R₁₆；X方向梁(31)的水平两侧各设置一个感应单元(5)，分别为R₅、R₆、R₇、R₈；Y方向梁(32)的水平两侧各相邻设置一个感应单元(5)，分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀；上层十字梁(4)上表面中部设置一个感应单元(5)R₂₁，下层十字梁(3)下表面中部设置一个感应单元(5)R₂₂。R₁对应图5中F₁的位置，R₂对应图5中F₂的位置，依次类推。

传感器正常工作时，连接板(8)将六维力通过传力轴(6)传递给上层十字梁(4)和下层十字梁(3)，原本分布在上层十字梁(4)和下层十字梁(3)上并与接触面过盈配合的感应单元(5)的压力在六维力的作用下发生变化，表现为电压的变化，于是我们通过测量感应单元(5)的电压值便可求得压力值。

每一个感应单元(5)都包括一个磁流变弹性体片(9)，整个六维力传感器由22个感应单元(5)组成，将电极嵌入到磁流变弹性体片(9)的内部，线路、放大电路及信号采集模块嵌入在传感器内部，可以用来采集力和力矩。

如图5所示，F₁代表R₁感受到的力，F₂代表R₂感受到的力，依次类推。

R₁、R₂、R₃、R₄用于测X向力，R₅、R₆、R₇、R₈用于测Y向力，感应单元R₂₀、R₂₁用于测Z向力、感应单元R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂用于测X向力矩、感应单元R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆用于测Y向力矩，感应单元R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀用于测Z向力矩。

受力平衡条件：

正方向：

F_x＝(F₂+F₄)

F_y＝(F₆+F₈)

F_z＝F₂₁

M_x＝(F₁₀+F₁₁)L₁

M_y＝(F₁₄+F₁₅)L₁

M_z＝(F₁₇+F₂₀)L₂

负方向：

F_x＝(F₁+F₃)

F_y＝(F₅+F₇)

F_z＝F₂₂

M_x＝(F₉+F₁₂)L₁

M_y＝(F₁₃+F₁₆)L₁

M_z＝(F₁₈+F₁₉)L₂

F_x为传感器受到的六维力在X轴正方向的力，F_y为传感器受到的六维力在Y轴正方向的力，F_z为传感器受到的六维力在Z轴正方向的力，M_x为传感器受到的六维力绕X轴顺时针方向的力矩，M_y为传感器受到的六维力绕Y轴顺时针方向的力矩，M_z为传感器受到的六维力绕Z轴顺时针方向的力矩；L₁为上层梁末端距离下层梁的水平距离，L₂为R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀距离传感器中心的半径。

利用以上公式，解出作用在传感器上的六维力F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有其它变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种六维力传感装置，其特征在于，包括与支持部件相连的第一部件，传递六维力的第二部件，所述的第二部件为刚体，以及用于将第一部件和第二部件的相对面压力变化转化为数字信号的感应单元(5)，所述感应单元(5)通过磁流变弹性体将相对面压力变化转化为电信号；

所述第一部件包括与所述支持部件相连的传感器底座(1)、与所述传感器底座(1)一体化成型的过载保护台(2)，与所述传感器底座(1)相连的壳体(7)，所述过载保护台(2)上设有凸台(14)，所述凸台(14)上设有第二凹槽(15)；

所述第二部件包括十字梁结构、传力轴(6)与连接板(8)；所述十字梁结构包括下层十字梁(3)与上层十字梁(4)，且相互交错配合，一体化成型，所述上层十字梁(4)与所述下层十字梁(3)呈45度角相互交错，所述下层十字梁(3)由X方向梁(31)和Y方向梁(32)正交组成，所述上层十字梁(4)上表面设置第一凹槽(10)；所述传力轴(6)与连接板(8)一体化成型；

所述感应单元具体为22片，具体设置如下：所述第一凹槽(10)上均设置一感应单元(5)，所述第二凹槽(15)上均设置一感应单元(5)，所述X方向梁(31)的水平两侧各设置一感应单元(5)，所述Y方向梁(32)的水平两侧各相邻设置两片感应单元(5)，所述上层十字梁(4)上表面中部设置一感应单元(5)，所述下层十字梁(4)下表面中部设置一感应单元(5)。

2.根据权利要求1所述的一种六维力传感装置，其特征在于，所述传感器底座(1)与所述壳体(7)之间有第二弹性垫片(13)。

3.根据权利要求1所述的一种六维力传感装置，其特征在于，所述传感器底座(1)与所述下层十字梁(3)以螺栓连接，所述传感器底座(1)与所述壳体(7)以螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的一种六维力传感装置，其特征在于，所述传感器底座(1)与所述下层十字梁(3)之间有第一弹性垫片(12)。

5.根据权利要求1所述的一种六维力传感装置，其特征在于，所述传力轴(6)与所述壳体(7)之间有垫圈(11)。

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