CN110050179B

CN110050179B - 多轴力传感器

Info

Publication number: CN110050179B
Application number: CN201780075966.3A
Authority: CN
Inventors: Y·诺; J·比姆博; 刘宏斌
Original assignee: Kings College London
Current assignee: Kings College London
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2017-10-03
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2037-10-03
Also published as: CN110050179A; WO2018065765A1; US20200049579A1; GB201617097D0; EP3523615A1; US11002625B2

Abstract

本发明的实施方式提供了用于力传感器的结构以及使用这种结构的力传感器，其结构紧凑且易于制造，例如通过3D打印。特别地，所述结构包括一对堆叠的环形传感器元件，所述环形传感器元件由上环元件和下环元件形成，所述上环元件和下环元件通过弹性安装的连接杆在围绕其圆周的点处连接在一起。连接杆可以在与环相同的平面中延伸，在这种情况下，对围绕环的轴线的扭矩的灵敏度大大降低，使得有效地获得五轴传感器；或者连接杆可以在每个传感器元件的上环和下环之间倾斜地延伸，使得它们在环的轴线方向上具有方向分量(每个元件的环同轴地堆叠)。在该第二种情况下，围绕环轴线施加扭矩导致倾斜连接杆在轴向方向上增大或减小它们的方向分量，从而提供对围绕轴线的扭矩的灵敏度，并提供紧凑的六轴传感器。

Description

多轴力传感器

技术领域

本发明的实施方式涉及一种多轴力传感器，尤其涉及一种能够以至少五个自由度(DoF)提供力感测的传感器。

背景技术

测量多个自由度(DoF)的多轴力传感器已经是已知的，但是通常采用复杂且昂贵的形式。在三维笛卡尔坐标空间中，可以测量多达六个自由度，即，x方向、y方向和z方向中的每个方向上的线性力F(即Fx、Fy和Fz)，并且还有围绕x轴、y轴和z轴中的每个轴的转动力矩M(即Mx、My和Mz)。为了预先测量所有六个自由度，必须将多个2DoF或3DoF传感器组合在一起，通常不得不过多地设置传感器的数量，使得所得到的传感器的总成本很高。

例如，匈牙利布达佩斯的Optoforce提供了一种三轴力传感器，其使用一个LED和四个光电二极管来测量三个力和扭矩分量(两个力矩Mx和My以及一个轴向力Fz)。为了测量6轴力/扭矩分量(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，目前正在组合三个或四个单位的三轴力/扭矩传感器。因此，六轴传感器的整体尺寸比领先的可用商用化六轴力/扭矩传感器(ATI工业自动化：F/T传感器Nano17(应变仪技术)，Φ17x14.5mm³)更大(50.0x50.0x25.0mm³)。尽管Optoforce传感器的品牌名称为“三轴力传感器”，但它无法测量三轴纯力分量(Fx、Fy、Fz)，而只能测量力和力矩。只有在半球面上的顶部中心周围施加外力时，才能精确地测量三轴力分量。

作为另一个例子，日本的Minebea有限公司提供了用于测量x方向和y方向位移的6轴力传感器。该6轴传感器包括三组布置在120°旋转对称位置的3轴位移测量仪器。每个3轴传感器包括：光源，其为红外高亮LED(Stanley Electric公司的产品，型号BN-401)，具有1.0mm厚的直径为0.6mm的针孔；以及光传感器，其具有正方形形状的硅PIN光电二极管，该光电二极管具有分成象限的2.5mm侧面(Moririka公司的产品，型号MI-33H4D)。从光源发出的光在通过针孔时漫射，然后光学传感器单元不仅可以在x方向和y方向上测量微小位移，而且可以在z方向上测量微小位移。3轴力传感器利用这种效果，并且将三个以120度间隔布置在圆上的三轴力传感器组合可以测量6轴力/扭矩分量。然而，为了测量六个轴，同样需要两个以上的三轴单元(在这种情况下为三个三轴单元)。

鉴于上述情况，仍然需要一种能够测量大于3个自由度的低成本多轴传感器。

发明内容

本发明的实施方式提供了用于力传感器的结构以及使用这种结构的力传感器，其结构紧凑且易于制造，例如通过3D打印。特别地，所述结构包括一对堆叠的环形传感器元件，所述环形传感器元件又由上环元件和下环元件形成，所述上环元件和下环元件通过弹性安装的连接杆在围绕其圆周的点处连接在一起。连接杆可以在与环相同的平面中延伸，在这种情况下，对围绕环的轴线的扭矩的灵敏度大大降低，使得有效地获得五轴传感器；或者连接杆可以在每个传感器元件的上环和下环之间倾斜地延伸，使得它们在环的轴线方向上具有方向分量(每个元件的环同轴地堆叠)。在该第二种情况下，围绕环轴线施加扭矩导致倾斜连接杆在轴向方向上增大或减小它们的方向分量，从而提供对围绕轴线的扭矩的灵敏度，并提供紧凑的六轴传感器。

鉴于上述情况，根据第一方面，提供了一种用于力传感器的弹性结构，该弹性结构包括：

上元件和下元件，所述上元件堆叠在所述下元件上；

所述上元件包括在第一平面中基本上彼此平行的第一上环和第一下环，所述第一上环和第一下环借助于第一多个弹性安装的梁结构彼此相连接，所述第一多个弹性安装的梁结构平行于所述第一平面延伸并在一端弹性安装至所述第一上环而在另一端弹性安装至所述第一下环；

所述下元件包括在所述第一平面中基本上彼此平行的第二上环和第二下环，所述第二上环和第二下环借助于第二多个弹性安装的梁结构彼此相连接，所述第二多个弹性安装的梁结构平行于所述第一平面延伸并在一端弹性安装至所述第二上环而在另一端弹性安装至所述第二下环。

在一个实施方式中，所述弹性安装的梁结构成对安装在相应的上环和下环之间。

在另一个实施方式中，所述弹性安装的梁结构围绕相应的上元件和下元件等角度地间隔开。

此外，在又一个实施方式中，所述上元件和下元件基本相同。

在上述任一个实施方式中，所述第一平面是X-Y平面，所述上元件和所述下元件在Z方向上延伸地堆叠在彼此上，所述弹性结构能够响应于在X方向、Y方向和Z方向中的任何一个方向上的施加力以及响应于围绕X轴和Y轴的施加转动力矩而偏转。结果，获得了紧凑的5轴传感器。

上述弹性结构可以用作力传感器的一部分，力传感器还包括位移检测电路，所述位移检测电路被布置成检测所述力传感器的上元件或下元件在待感测的施加力的作用下的偏转或移动。

在一个实施方式中，所述位移检测电路包括位于所述上元件和下元件内的多个光学传感器。

此外，在另一个实施方式中，所述光学传感器包括安装在所述结构上的反射器和光源，所述传感器被布置成检测由于所述结构在施加力或扭矩的作用下的移动而产生的所述反射器相对于所述光源的位移。

根据第二方面，本发明的实施方式还提供了一种用于力传感器的弹性结构，该弹性结构包括：

上传感器元件和下传感器元件，所述上元件堆叠在所述下元件上；

所述上元件包括在第一平面中基本上彼此平行的第一上环和第一下环，所述第一上环和第一下环借助于第一多个弹性延伸部彼此相连接，所述第一多个弹性延伸部在第一端弹性安装至所述第一上环而在第二端弹性安装至所述第一下环，所述弹性延伸部具有沿第一圆周方向相对于所述第一平面倾斜地延伸的至少一个部分；

所述下元件包括在所述第一平面中基本上彼此平行的第二上环和第二下环，所述第二上环和第二下环借助于第二多个弹性延伸部彼此相连接，所述第二多个弹性延伸部在第一端弹性安装至所述第二上环而在第二端弹性安装至所述第二下环，所述弹性延伸部具有沿第二圆周方向相对于所述第一平面弹性地延伸的至少一个部分；

所述第一圆周方向和第二圆周方向彼此相反。

在这方面中，在一个实施方式中，所述第一圆周方向和第二圆周方向相对于所述第一平面而言具有相同的正交分量。

而且，在进一步的实施方式中，所述弹性延伸部基本上为S形或Z形。

另选地，在其它实施方式中，所述弹性延伸部是直梁。

在上述任一个实施方式中，所述弹性延伸部可以围绕相应的上元件和下元件等角度地间隔开。

在第二方面中，在一些实施方式中，所述第一平面是X-Y平面，所述上元件和所述下元件在Z方向上延伸地堆叠在彼此上，所述弹性结构能够响应于在X方向、Y方向和Z方向中的任何一个方向上的施加力以及响应于围绕X轴、Y轴和Z轴中的至少一个轴的施加转动力矩而偏转。

上述第二方面的弹性结构还可以用作力传感器，该力传感器还包括位移检测电路，所述位移检测电路被布置成检测所述上传感器元件或下传感器元件在待感测的施加力的作用下的偏转或移动。

在一个实施方式中，位移检测电路包括位于上元件和下元件内的多个光学传感器。此外，在另一个实施方式中，所述光学传感器包括安装在所述结构上的反射器和光源，所述传感器被布置成检测由于所述结构在施加力或扭矩的作用下的移动而产生的所述反射器相对于所述光源的位移。

根据又一个方面，本发明的一些实施方式还提供了一种力传感器，该力传感器包括在第一传感器轴线上彼此堆叠的一对弹性传感器元件，

所述一对弹性传感器元件中的第一元件被布置成使得当向所述第一元件施加围绕所述第一传感器轴线的第一扭矩时，所述第一元件围绕所述第一传感器轴线扭转，从而使得该第一元件的结构沿所述第一传感器轴线略微延长，

所述一对弹性传感器元件中的第二元件被布置成使得当向所述第二元件施加围绕所述第一传感器轴线的所述第一扭矩时，所述第二元件围绕所述第一传感器轴线扭转，从而使得该第二元件的结构沿所述第一传感器轴线略微缩短。

在该另一轴的一个实施方式中，响应于相同的第一施加扭矩，延长和缩短基本相等，从而使得力传感器的长度整体上基本没有发生变化。

在上述任一个实施方式中，所述第一上环和/或第一下环和/或所述第二上环和/或第二下环可以具有任何方便的形状，包括：圆形、正方形、三角形或多边形如八角形或六角形。虽然圆形形状允许来自任何径向方向的基本相等的响应，但是其它形状也提供不同的优点，并且特别地可以给予调节力传感器的方向响应以给出期望响应的能力。

根据以下描述和所附权利要求，本发明的其它特征，实施方式和优点将显而易见。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：

图1至图12是从不同视图看的本发明第一实施方式的各种附图；

图13是光学传感器的示意图；

图14是示出光学传感器的操作的图；

图15是根据第一实施方式的力传感器的分解立体图以及该力传感器的照片；

图19和图20是示出本实施方式的力传感器的各种用途的图；

图21至图33是从不同视角看的本发明第二实施方式的各种图；

图34是示出在本发明的实施方式中使用的光学传感器的输出的一对曲线图；

图35是用于辅助校准如本发明的实施方式所提供的力传感器的校准装置的图；

图36和图37是涉及本发明第二实施方式的变型的示例图；

图38和图39是示出在本发明的第二实施方式中进行测量的图；以及

图40是示出在本发明的实施方式中如何测量绕Z轴的转动力矩的图。

具体实施方式

将描述本发明的两个实施方式。第一实施方式利用两端支撑在上支撑环和下支撑环之间的梁结构，以允许围绕所有三个轴运动。两个这样的传感器结构可以一个设置在另一个上面，以总共提供5轴传感器布置，传感器不敏感的唯一轴为围绕z轴的转动扭矩。其原因在于，感测梁结构在X-Y平面中的结构中被固定就位，并且相对于Z方向没有差别。这意味着它们不能在X-Y平面内的结构内有意义地移动，因此对于围绕Z方向的力矩(这将导致X-Y平面的旋转)不是特别敏感。然后，第二实施方式通过改变梁结构元件的设计来改进第一实施方式，以提供对围绕z轴的转动力扭矩敏感的结构，从而提供六轴传感器。这是通过使梁结构相对于X-Y平面成角度来实现的，使得梁在具有z轴分量的方向上延伸。当遇到围绕z轴的转动力矩时，则不是如第一实施方式中那样抵抗这种运动，而是在第二实施方式中，相应的成角度的梁结构要么稍微变平(即减小它们与X-Y平面的角度，从而减小它们的z轴分量)或变得略微更垂直(即增加它们与X-Y平面的角度，从而增加它们的z轴分量)，在两种情况下都允许围绕z轴的旋转运动。另外，由于堆叠布置提供两层这样的梁结构，如果梁结构在Z方向上延伸，并在相应的层中具有相反的X分量和/或Y分量，则每个传感器结构将根据所施加的Z轴扭矩方向而在Z方向上变平或者略微延伸，但传感器的整体z轴尺寸没有明显改变，因为两个相应层的变平和延伸有效地相互抵消。

现在将参照图1至图18描述第一实施方式。第一实施方式的传感器的整体结构是两个基于简支梁结构的三轴力/扭矩传感器的总体结构(见图1至图12)。这导致感测结构能够总共测量五个力/扭矩分量：Fx、Fy、Fz、Mx和My。感测原理基于光学传感器测量由外力或力矩引起的偏转位移(见图13和图14)。反过来，变形可以与力/扭矩分量相关。所提出的五轴力/扭矩传感器的结构如图1至图12所示。通过快速成型机(例如Project HD-3000加上3D系统)由聚合物ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)制成柔性环状结构。如前所述，两个三自由度感测结构相互叠加。每个元件尤其都有三个屈曲(简支梁)，如图5所示。因此，整个传感器结构具有六个可以测量的偏转(δ1、δ2、δ3、δ4、δ5和δ6)，这些偏转作为校准矩阵的输入以估计Fx、Fy、Fz、Mx和My。在该第一实施方式中，不可能测量Mz，因为传感器结构限制了相对于沿z轴的旋转扭矩的变形。

根据第一实施方式的力传感器的物理结构在图1至图17中示出。从这些图中可以看出，传感器包括圆形上元件100和圆形下元件200，两者是彼此相同的。每个元件又包括上环108、208和下环110、210，上元件100的下环110安装在下元件的上环208上，使得元件100和200可以被认为是相互叠加的。上环和下环的圆周位于传感器的X-Y平面内，Z轴沿着垂直于X-Y平面的环的轴线延伸。

在每个元件100和200内形成三个相应的梁结构，这些梁结构围绕环周向地延伸，并连接每个元件的相应的上环和下环。每个梁结构包括两个细长的Z形梁，每个梁的长轴102、104、202、204平行于上环和下环108、110、208、210并且在上环和下环108、110、208、210之间悬挂，并且在相对端连接到上环和下环中的一个或另一个，使得细长梁的一端通过在与梁的方向正交的方向上延伸的短部分连接，以将梁连接到下环，而梁的另一端通过沿相反的正交方向延伸的第二短部分连接，以将梁的另一端连接到上环。这种布置围绕元件的圆周以对称对(例如102和104、202和204)的方式重复，使得在上元件和下元件中的每一者中提供三个对称梁结构对，所述对称梁结构对悬挂在相应的上元件和下元件之间。例如，上元件100具有对称梁结构对102和104、114和106以及120和122。同样，下元件200具有梁结构对202和204、214和206以及220和222。与上环和下环类似，在第一实施方式中，梁结构位于传感器的X-Y平面内。

还提供了从每个元件的上环延伸的向下突出部分112、212、116、216、124、214，其沿着传感器的Z轴从该上环或每个上环的圆周朝向每个元件的相应的下环向下延伸。向下突出部分被设置成围绕圆周将每个对称梁结构对与下一个对分开，因此在三个对称梁结构对之间设置三个这样的向下突出部分。

传感器10使用光学技术操作以检测传感器在负载力下的偏转，在该传感器中包括六个光学传感器，在上元件100和下元件200中的每一个中具有三个。图11和图12示出了光学传感器的构造，从中可以看到三个光学传感器围绕每个元件以120度的间隔等角度间隔开地布置在每个元件内。每个传感器包括镜子1102、光学传感器1104和相应的电驱动电路1106。光学传感器用于精确测量传感器输出和相应镜子之间的距离，并检测由传感器主体在任何方向的移动或偏转引起的距离变化。

更详细地，我们能够将第一实施方式的五DoF传感器的直径小型化为17mm。所述实施方式的高度约为14毫米。在机械结构内部，使用两个柔性电路(由日本的Sunhayato公司提供)将六个光学传感器1104安装到顶部和底部，如图11所示。每个传感器与镜子1102相对。在这里，我们组装了飞兆半导体公司的QRE1113反射传感器，它由两部分组成-红外发光LED和红外敏感光电晶体管(见图13和图14)。LED是光源；反射光通过镜子传输到光电晶体管。光电晶体管将反射光强度转换为电压。镜子和光学传感器之间的距离越近，反射光强度的量越大，并且与反射光强度成比例，光电晶体管的输出电压增加。当外力或力矩施加在传感器的上板上时，六个偏转(δ1、δ2、δ3、δ4、δ5和δ6)由六个光学传感器测量(见图12)。处理六个偏转的量，可以计算力/扭矩分量。通常，光学传感器对外部光敏感，因此覆盖感测结构的外壳涂成黑色，因此阻挡外部光。

图34(a)示出了光学传感器的电压输出相对于传感器和相对的镜子之间的距离变化。由于电压输出在0.3mm内变化(这是每个简支梁的最大偏转)很小，因此设计了一个放大器以获得更大的电压变化(见图34(b)蓝色区域)。用于测量六个光学传感器的电压输出和放大器电源的所有电线都在1.2mm弹簧线(屏蔽电缆)内引导。

关于如何使用上述布置测量输入力，传感器结构由六个简支梁组成，并且从它们的偏转(δ1、δ2、δ3、δ4、δ5和δ6)，可以通过将六个偏转乘以弹簧系数k来计算力分量(f1、f2、f3、f4、f5和f6)，如等式1只6所示。从这六个力分量，可以使用等式7至12来计算Fz、M1x、M2x、M1y、M2y、Mx和My。

fx＝k₁δ₁ (1)

f₂＝k₂δ₂ (2)

f₃＝k₃δ₃ (3)

f₄＝k₄δ₄ (4)

f₅＝k₅δ₅ (5)

f₆＝k₆δ₆ (6)

F_z＝(f₁+f₂+f₃+f₄+f₅+f₆)/2 (7)

M_x＝M_2x-M_1x，M_y＝M_2y-M_1y (8)

M_1x＝-L_2y·f₅+L_1y·f₆+L_3y·f₄ (9)

M_1y＝L_1x·f₆-L_3x·f₄ 10)

M₂x＝-L_2y·f₂+L_1y·f₃+L_3y·f₁ (11)

M_2y＝L_1x·f₃-L_3x·f₁ (12)

M_x＝L_3y·f₁-L_2y·f₂+L_1y·f₃-L_3y·f₄+L_2y·f₅-L_1y·f₆ (13)

M_y＝-L_3x·f₁+L_1x·f₃+L_3x·f₄-L_1x·f₆ (14)

力分量Fx和Fy使用等式15和16通过两个力矩分量的差除以Ld来计算。

可测量的力/扭矩范围可由弹簧系数k确定，弹簧系数k可通过调整梁的特性来改变：长度L、宽度b、高度h和材料弹性系数E，如图4和等式17至19所示。

为了将乘以六个偏转的弹簧系数转换为六个光学传感器中的每一个的电压，系数m应该通过实验测量，如等式20至25所示。

f₁＝kδ₁＝m₁v₁ (20)

f₂＝kδ₂＝m₂v₂ (21)

f₃＝kδ₃＝m₃v₃ (22)

f₄＝kδ₄＝m₄v₄ (23)

f₅＝kδ₅＝m₅v₅ (24)

f₆＝kδ₆＝m₆v₆ (25)

最后，可以获得刚度矩阵。

校准

校准是将五轴力/扭矩传感器的光学传感器的电压转换为物理值(在我们的申请中，力/力矩分量)的重要步骤，并找到使光学传感器的输出电压与五轴力/扭矩传感器的物理值相关的校准矩阵。为此，提出了一种校准装置，其在五轴力/扭矩传感器上施加力/扭矩条件以找到校准矩阵。校准装置包括线性导轨、载荷夹具、带夹具的载荷传感器(ATI Nano17)和传感器基座(见图35)。通过沿线性马达系统拉动丝线，可以将各种力/扭矩条件施加至五轴力/扭矩传感器。由于牛顿第三定律，拉力通过所述丝线传递到传感器(即使所述丝线是可以伸长的)。同时，五轴力/扭矩传感器的输出电压由A/D转换器(模拟-数字转换器)记录。校准装置可以施加一定量的外力/扭矩分量，例如Fx和My、或Fy和Mx的组合。另外，校准装置可施加一定量的外力/扭矩分量Fz，或Fz和Mx或Fz和My的组合。

一旦获得校准数据，它就可以用于生成5×6校准或刚度矩阵，其将来自装置中的光学传感器的六个输出电压转换为力和扭矩的五个物理值。因此，矩阵可以稍后乘以任何六元素电压矢量(列)(参见等式25)以获得传感器输出。

多元线性回归(MLR)通过将线性方程拟合到观测数据来找到两个或多个自变量与因变量之间的关系[26]。在该实施方案中，自变量的每个值，即五轴力/扭矩传感器的光传感器的输出电压的每个值，与因变量的值相关联，即力和扭矩分量Fx，Fy，Fz，Mx和My。通过应用MLR，计算解耦刚度矩阵(校准矩阵)，如等式26所示。

然后可以在前面所示的等式(26)中使用这些k值来从六个光学检测器的测量电压中找到Fx、Fy、Fz、Mx和My。

因此，第一实施方式提供了五轴力传感器，但是由于梁102、104等的构造，该五轴力传感器不能测量绕Z轴的扭矩。其原因在于，这些梁位于传感器的X-Y平面内并且沿其长度不是特别有弹性，围绕Z轴的转动力矩被梁抵抗，使得所获得的传感器的任何部分的可测量的偏转都非常小。为了解决该问题，提供了图21至图33的第二实施方式，下面将对其进行描述。

在第二实施方式中，参照图21至图33，使用相同的堆叠的两个元件配置，其具有上元件300和下元件400，如在第一实施方式中那样。同样地，每个元件300和400也包括相应的上环308、310和下环408、410，但是这次代替每个元件的相应上环和下环通过对称布置的梁对连接，相应的上环和下环通过S形弹性延伸部302、304、306、402、404、406连接，该弹性延伸部从每个元件的上环延伸到下环。围绕每个元件的圆周设置三个S形延伸部，其中每个元件(上元件或下部)的S形延伸部围绕该元件以相同的“感觉”延伸。“感觉”是指例如S形延伸部例如从左向右地大体从上环向下延伸到下环。

然而，重要的是，每个S形延伸部的“感觉”在上元件和下元件之间是相反的。因此，例如，如果在上元件300中，S形延伸部302、304、306从左向右地从上环308向下延伸到下环310，则在下元件400中，S形延伸部402、404、406应该从左向右地(或从右向左地)从下环410向上延伸到上环408。因此，从上元件300到下元件400，相应的S形延伸部关于由下元件400的上环408和上元件300的下环310之间的接合部形成的平面彼此以镜像方式延伸。

除了梁102、102、104等用S形延伸部302、304、306、402、404、406替换的这种差异之外，第二实施方式的布置与第一实施方式的布置基本相同。例如，可以使用与先前关于第一实施方式描述的相同的光学感测技术，从而使用相同的光学传感器来测量六个位移。此外，传感器可以以类似的方式校准，但主要区别在于，在第二实施方式中，传感器还能够测量绕Z轴的扭矩，因此可以在一个简单的小封装中获得测量所有Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的真正的六轴传感器。

除了Fx、Fy、Fz、Mx和My之外还可以测量Mz的原因在于，提供S形延伸部分代替第一实施方式的水平量允许传感器主体绕Z轴以可控的方式扭转。此外，在上元件和下元件中设置具有相反缠绕感觉的S形延伸部意味着，虽然整个结构可以扭转，但是结构在Z轴上的长度尺寸通过相应的上元件和下元件中的两个镜像的S形延伸部的相反作用而自动补偿。也就是说，对于绕Z轴的任何扭矩，上元件或下元件中一者上的S形延伸部将有效地向外伸展，从而略微减小该元件的Z轴尺寸并使该元件的上环和下环走得更近。然而，由于在上元件和下元件中的另一者上的S形延伸部的相反的缠绕感觉，这些元件将使它们的端部靠近在一起并且因此使该元件的上环和下环沿着Z轴进一步分开地移动，从而平衡了另一个元件上的Z轴尺寸的损失。结果是传感器结构整体能够以可重复和可测量的方式绕Z轴重复扭转，从而允许测量Mx以及所有其它力和扭矩Fx、Fy、Fz、Mx和My。因此，获得了紧凑且耐用的六轴传感器。

S形延伸部的上述益处是由于S形延伸部通常提供倾斜延伸的延伸部，该延伸部沿着在传感器的X-Y平面中改变的方向延伸，但还在Z方向上延伸，如图36和37中所示。尽管所描述的S形延伸部是所描述的特定实施方式的延伸部，但是在该实施方式的其它变型中，可以使用略微不同的其它形状(例如，Z形状或直线)，只要相对于在上元件和下元件中的每一者的上环和下环之间的连接梁的延伸部存在主要对角或倾斜分量，并且延伸部的缠绕感觉在相应的上元件和下元件之间是相反的即可。通过提供对角延伸部(即，该对角延伸部围绕并平行于上元件和下元件的上环和下环的圆周的曲线在X-Y平面内延伸，但也在Z轴上延伸)，然后可以适应围绕Z轴的转动力矩，这是因为它们导致延伸部在转动力矩下有效地弯曲，并且根据转动力矩的方向和方向的缠绕感觉而增大或减小其Z轴延伸。然后可以检测Z轴延伸的这种增加或减少。此外，通过为上元件和下元件的相应倾斜延伸部提供相反的缠绕感觉，则如上所述，对于围绕Z轴的任何特定施加力矩，上元件和下元件中的一者则将沿着z-方向延伸高度。而另一者将减小高度，因此通常保持传感器的整体Z轴长度。

关于如何从第二实施方式的传感器获得六轴力测量，接下来参照图38至40描述所描述的信号处理的推导以从光学传感器进行的光学位移测量获得测量。

参照图38和图39，传感器结构具有六个S形梁，从它们的偏转(δ1、δ2、δ3、δ4、δ5和δ6)，可以通过将六个偏转乘以弹簧系数k来计算力分量(f1、f2、f3、f4、f5和f6)，如等式2.1至2.6所示。

f₁＝k₁δ₁ (2.1)

f₂＝k₂δ₂ (2.2)

f₃＝k₃δ₃ (2.3)

f₄＝k₄δ₄ (2.4)

f₅＝k₅δ₅ (2.5)

f₆＝k₆δ₆ (2.6)

根据这六个力分量，可以使用等式7至12来计算Fz、M_1x、M_2x、M_1y、M_2y、M_x和M_y。

F_z＝(f₁+f₂+f₃+f₄+f₅+f₆)/2 (2.7)

M_x＝M_2x-M_1x，M_y＝M_2y-M_1y (2.8)

M_1x＝-L_2y·f₅+L_1y·f₆+L_3y·f₄ (2.9)

M_1y＝L_1x·f₆-L_3x·f₄ (2.10)

M_2x＝-L_2y·f₂+L_1y·f₃+L_3y·f₁ (2.11)

M_2y＝L_1x·f₃-L_3x·f₁ (2.12)

M_x＝L_3y·f₁-L_2y·f₂+L_1y·f₃-L_3y·f₄+L_2y·f₅-L_1y·f₆ (2.13)

M_y＝-L_3x·f₁+L_1x·f₃+L_3x·f₄-L_1x·f₆ (2.14)

力分量F_x和F_y使用等式2.15和2.16通过两个力矩分量的差除以Ld来计算。

可测量的力/扭矩范围可由弹簧系数k确定，弹簧系数k可通过调整梁的特性来改变：长度L、宽度b、高度h和材料弹性系数E。

为了测量Mz，如上面在第二实施方式中所述，可以将对S形传感器结构的考虑简化为用于Mz测量建模的简单倾斜梁，如图40所示。当转动力矩Mz被施加至该结构时，这相当于对所有支撑梁施加相同大小的剪切力f，其中：

由于梁的轴向变形可以忽略不计，我们只需要考虑对于给定剪切力f梁的侧向偏转。假设梁结构被建模为欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁，则对于上部部分来说，侧向力分量fs1和z轴偏转d1可以计算为：

f_s1＝fsinθ

类似地，对于下部部分来说，侧向力分量fs2和z轴偏转d2可以计算为：

f_s2＝fsinθ

可以很容易地看出d1＝-d2。

因此，对于单对对称梁结构，我们可以有：

考虑到先前描述的实施方式的3对对称梁结构，Mz可以被计算为：

从上面的等式可以看出，Mz与偏转δ_1,2，...6线性相关。因此，在实践中，我们可以创建如下线性矩阵等式来表示相对于光学传感器可测量的六个偏转的六个力和力矩分量：

可以以与上述五轴传感器类似的方式进行六轴传感器的校准。作为一个示例，上述等式可以校准为：

以提供根据第二实施方式的操作六轴传感器。

如上所述，本发明的实施方式因此提供了轻型且紧凑的5轴和6轴力传感器，所述传感器可以在各种应用中使用，并且具有许多优点。例如，在描述的实施方式中，光纤和光电传感器沿着传感器结构的圆周展开。这简化了制造，使整个传感器尺寸小型化，并在传感器结构的中心确保了足够的空间。这与传统的六轴力/扭矩传感器相反，传统的六轴力/扭矩传感器难以在传感器结构上附接聚偏二氟乙烯(PVDF)膜、应变仪、压阻材料和光纤布拉格光栅(FBG)，这是因为它很难保证传感器结构中心有足够的空间。

此外，所描述的传感器结构适用于各种机器人机构，例如由气动压力或肌腱驱动的柔性操纵器或连续操纵器以及传统的机器人关节和末端执行器。此外，环状传感器结构有助于肌腱或气动管道通过，并且传感器本身可以通过定制顶部和底部附件而用作实心结构。

另外，所描述的布置具有诸如抗电噪声、低功耗、低水平噪声，不需要电子滤波和低成本的优点。此外，最近的技术进步允许使用尺寸小的光传感器(NJL5901R-2，1.0×1.4×0.6mm³)和亚毫米光纤(直径0.125mm)。此外，今天的3D打印技术允许以金属低成本制造小型复杂传感器结构。因此，传感器的整体尺寸可以比商业上可获得的力/扭矩传感器小得多，可无缝集成到机器人手、手术器械、医疗设备、触觉设备、导管(2.5mm-4.0mm)和触觉感测元件中，如在图19和20图中所示。

此外，使用所提出的光纤技术，整个传感器尺寸可以进一步小型化至直径约2mm。因此，可以集成导管(2.0mm-2.5mm)、粗针和手术器械、手术触觉系统和用于平板电脑或平板式触摸屏的铅笔(通过铅笔精细地绘制绘画需要其力/扭矩信息)，如在图20中所示。

可以对上述实施方式进行各种修改，以提供进一步的实施方式。例如，在上述实施方式中，使用光纤传感器测量传感器结构偏转，以检测来自施加力的偏转。然而，在其它实施方式中，可以使用不同的偏转或运动传感器。例如，在其它实施方式中，可以间接测量偏转d，例如通过在梁上附接聚偏二氟乙烯(PVDF)膜、应变仪、压阻材料或光纤布拉格光栅(FBG)。然而，使用如上述实施方式中所述的使用光纤、光电和基于相机的图像处理技术基于光强度进行直接测量的光学传感器具有诸如对电噪声的免疫性、低功耗、低水平噪声、无需电子过滤、易于附接到传感器主体并且成本低的优点。

另外，在上述实施方式中，构成力传感器结构的堆叠环是圆形形状的，但是在其它实施方式中，不一定需要是这种情况，并且如所描述的，可以在堆叠中使用其它形状的环以提供其他实施方式。例如，环可以是三角形、正方形、卵形或椭圆形，或任何其它多边形或其它形状。虽然圆形形状对来自任何径向方向的力提供基本均匀的响应，但在一些其它实施方式中，可能需要调谐的方向响应，这可以通过使用不同形状的传感器来获得。例如，正方形形状的传感器堆叠将更容易地响应来自与传感器的面正交的方向的力，但是对来自穿过正方形的角部的径向方向的力的响应更小。因此，在本发明的其它实施方式中，环可以是除圆形之外的其它形状，而且形成根据所述实施方式的力传感器的同一堆叠中的不同环也可以具有不同的形状。

可以对上述实施方式进行各种进一步的修改，无论是通过添加、删除还是替换，以提供进一步的实施方式，这些进一步实施方式中的任何和所有实施方式都旨在被所附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于力传感器的弹性结构，该弹性结构包括：

上元件和下元件，所述上元件堆叠在所述下元件上；

所述上元件包括在第一平面中彼此平行的第一上环和第一下环，所述第一上环和第一下环借助于第一多个弹性安装的梁结构彼此相连接，所述第一多个弹性安装的梁结构平行于所述第一平面延伸并在一端弹性安装至所述第一上环而在另一端弹性安装至所述第一下环；

所述下元件包括在所述第一平面中彼此平行的第二上环和第二下环，所述第二上环和第二下环借助于第二多个弹性安装的梁结构彼此相连接，所述第二多个弹性安装的梁结构平行于所述第一平面延伸并在一端弹性安装至所述第二上环而在另一端弹性安装至所述第二下环。

2.根据权利要求1所述的弹性结构，其中，所述第一多个弹性安装的梁结构成对安装在所述第一上环和所述第一下环之间，并且所述第二多个弹性安装的梁结构成对地安装在所述第二上环和所述第二下环之间。

3.根据权利要求1所述的弹性结构，其中，所述第一多个弹性安装的梁结构围绕所述上元件等角度地间隔开，并且所述第二多个弹性安装的梁结构围绕所述下元件等角度地间隔开。

4.根据权利要求1所述的弹性结构，其中，所述上元件和下元件相同。

5.根据权利要求1所述的弹性结构，其中，所述第一平面是X-Y平面，所述上元件和所述下元件在Z方向上延伸地堆叠在彼此上，所述弹性结构能够响应于在X方向、Y方向和Z方向中的任何一个方向上的施加力以及响应于围绕X轴或Y轴的施加转动力矩而偏转。

6.根据权利要求1所述的弹性结构，其中，所述第一上环和第一下环以及所述第二上环和第二下环能分别具有以下形状中的任何一个或多个：

i)圆形；

ii)正方形或矩形；

iii)三角形；

iv)多边形；和/或

v)卵形或椭圆形。

7.一种力传感器，该力传感器包括根据权利要求1所述的弹性结构，并且还包括位移检测电路，所述位移检测电路被布置成检测所述力传感器的上元件或下元件在待感测的施加力的作用下的偏转或移动。

8.根据权利要求7所述的力传感器，其中，所述位移检测电路包括位于所述上元件和下元件内的多个光学传感器。

9.根据权利要求8所述的力传感器，其中，所述光学传感器包括安装在所述弹性结构上的反射器和光源，所述光学传感器被布置成检测由于所述弹性结构在施加力或施加转动力矩的作用下的移动而产生的所述反射器相对于所述光源的位移。

10.一种用于力传感器的弹性结构，该弹性结构包括：

上元件和下元件，所述上元件堆叠在所述下元件上；

所述上元件包括在第一平面中彼此平行的第一上环和第一下环，所述第一上环和第一下环借助于第一多个弹性延伸部彼此相连接，所述第一多个弹性延伸部在第一端弹性安装至所述第一上环而在第二端弹性安装至所述第一下环，所述第一多个弹性延伸部具有沿第一圆周方向相对于所述第一平面倾斜地延伸的至少一个部分；

所述下元件包括在所述第一平面中彼此平行的第二上环和第二下环，所述第二上环和第二下环借助于第二多个弹性延伸部彼此相连接，所述第二多个弹性延伸部在第一端弹性安装至所述第二上环而在第二端弹性安装至所述第二下环，所述第二多个弹性延伸部具有沿第二圆周方向相对于所述第一平面倾斜地延伸的至少一个部分；

所述第一圆周方向和第二圆周方向彼此相反。

11.根据权利要求10所述的弹性结构，其中，所述第一圆周方向和第二圆周方向相对于所述第一平面而言具有相同的正交分量。

12.根据权利要求10所述的弹性结构，其中，所述第一多个弹性延伸部和所述第二多个弹性延伸部为S形或Z形。

13.根据权利要求10所述的弹性结构，其中，所述第一多个弹性延伸部和所述第二多个弹性延伸部是直梁。

14.根据权利要求10所述的弹性结构，其中，所述第一多个弹性延伸部和所述第二多个弹性延伸部围绕相应的所述上元件和下元件等角度地间隔开。

15.根据权利要求10所述的弹性结构，其中，所述第一平面是X-Y平面，所述上元件和所述下元件在Z方向上延伸地堆叠在彼此上，所述弹性结构能够响应于在X方向、Y方向和Z方向中的任何一个方向上的施加力以及响应于围绕X轴、Y轴和Z轴中的任一个轴的施加转动力矩而偏转。

16.一种力传感器，该力传感器包括根据权利要求10所述的弹性结构，并且还包括位移检测电路，所述位移检测电路被布置成检测所述上元件或下元件在待感测的施加力的作用下的偏转或移动。

17.根据权利要求16所述的力传感器，其中，所述位移检测电路包括位于所述上元件和下元件内的多个光学传感器。

18.根据权利要求17所述的力传感器，其中，所述光学传感器包括安装在所述弹性结构上的反射器和光源，所述光学传感器被布置成检测由于所述弹性结构在施加力或施加转动力矩的作用下的移动而产生的所述反射器相对于所述光源的位移。

19.一种力传感器，该力传感器包括在第一传感器轴线上彼此堆叠的一对弹性传感器元件，

所述一对弹性传感器元件中的第一元件被布置成使得当向所述第一元件施加围绕所述第一传感器轴线的第一扭矩时，所述第一元件围绕所述第一传感器轴线扭转，从而使该第一元件的结构沿所述第一传感器轴线延长，

所述一对弹性传感器元件中的第二元件被布置成使得当向所述第二元件施加围绕所述第一传感器轴线的所述第一扭矩时，所述第二元件围绕所述第一传感器轴线扭转，从而使得该第二元件的结构沿所述第一传感器轴线缩短。

20.根据权利要求19所述的力传感器，所述第一元件和所述第二元件被进一步布置成使得所述第一元件的延长和所述第二元件的缩短相等。

21.根据权利要求19所述的力传感器，所述力传感器是六轴力传感器。