CN110243528B - 一种基于液体压强测量的六维力检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于液体压强测量的六维力检测装置，它涉及一种压力检测装置，它包括传力中轴、内盖板、内支撑架、外盖板、外壳和力传感器；内支撑架中部具有内空心柱和外空心柱，内空心柱和外空心柱间隔布置；传力中轴的外壁沿周向均布有垂直于传力中轴的多个传力轴，外空心柱的内壁上固装有力传感器，伸出导向孔的传力轴的端部与力传感器在轴向上滑动接触；外盖板盖在外壳上，外空心柱外壁固装有向外延伸的隔板，外盖板与隔板之间沿周向均布有四组力传感单元，隔板与外壳底部之间沿周向均布有四组力传感单元，外盖板和外壳分别与力传感器固接，隔板与力传感器接触。本发明结构紧凑，外形可塑能力强，能准确测量单位面积所受力的平均值。

Description

一种基于液体压强测量的六维力检测装置

技术领域

本发明涉及一种压力检测装置，特别涉及一种基于液体压强测量的六维力检测装置。

背景技术

目前，六维力传感器主要应用于各种机械臂和机器人种，用于检测与负载或者外部干预者之间的交互力信息，可以实现六个维度下的力与力矩的测量。六维力传感器由于其需要检测维度较多，主要以应变梁和薄膜压力传感器为主。但是这两种方法在紧凑化的环境下，很难实现测量单位面积所受的平均力；而另外一些通过气体或液体管道形式的传感结构，虽然可以实现某方向的压力测量，但是很难具有六维力的检测能力，同时普通的管道形式也很难兼顾量程和精度问题。

发明内容

本发明是为克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑，能准确测量单位面积所受平

均力的基于液体压强测量的六维力检测装置。

本发明的技术方案是：

一种基于液体压强测量的六维力检测装置，它包括传力中轴、内盖板、内支撑架、外盖板、外壳和力传感器；内支撑架中部具有内空心柱和外空心柱，内空心柱和外空心柱间隔布置，传力中轴竖向设置在内空心柱内；内盖板布置在内空心柱上端，且内盖板能相对内支撑架转动，传力中轴相对内盖板能周向转动，且相对内盖板能上下移动，传力中轴与内空心柱的下端之间布置有与二者连接的力传感器，传力中轴与力传感器在周向上相对转动；传力中轴的外壁沿周向均布有垂直于传力中轴的多个传力轴，内空心柱的壁上开有导向孔，传力轴布置在导向孔内并能在导向孔上运动，外空心柱的内壁上固装有力传感器，伸出导向孔的传力轴的端部与力传感器在轴向上滑动接触；外盖板盖在外壳上，外空心柱外壁固装有向外延伸的隔板，外盖板与隔板之间沿周向均布有四组力传感单元，隔板与外壳底部之间沿周向均布有四组力传感单元，外盖板和外壳分别与力传感器固接，隔板与力传感器接触，每组力传感单元由一个以上力传感器组成。

进一步地，力传感器包括由内向外设置的防液层、电阻栅、弹性薄膜层以及传感盖板；防液层、电阻栅和弹性薄膜层均与传感盖板固接，力传感器初始为球形体，传感盖板受力后电阻栅的电阻发生变化。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、由于测量单元为液体压强检测，外形可塑能力强，结构紧凑程度高，可以设置成模块化结构，内置在穿戴设备或者设置在空间较小的机械臂或机器人内部。

2、利用液体压强变化的方式测量，由于液体压强的计算方法是通过表面上受力除以受力面积，所以可以看成液体压强反映的是表面所受的平局值大小，可以精确的测量出单位面积所受力的平均值。

3、可以测量在运动过程中的六个维度的力与力矩信号，由于液体不可压缩特性，本发明还具有量程大的特点。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的六维力检测装置的立体图；

图2为本发明的六维力检测装置的局部剖视图；

图3为本发明的六维力检测装置的半剖视图；

图4为本发明的六维力检测装置的导向孔结构示意图；

图5为本发明的六维力检测装置的传力轴分布图；

图6为本发明的六维力检测装置的分布图；

图7为本发明的力传感器的结构图；

图8为本发明的力传感器的爆炸图。

具体实施方式

参见图1-图8说明，本实施方式的一种基于液体压强测量的六维力检测装置，它包括传力中轴8、内盖板5、内支撑架3、外盖板16、外壳18和力传感器4；内支撑架3中部具有内空心柱31和外空心柱32，内空心柱31和外空心柱32间隔布置，传力中轴8竖向设置在内空心柱31内；

内盖板5布置在内空心柱31上端，且内盖板5能相对内支撑架3转动，传力中轴8相对内盖板5能周向转动，且相对内盖板5能上下移动，传力中轴8与内空心柱31的下端之间布置有与二者连接的力传感器4，传力中轴8与力传感器4在周向上相对转动；

传力中轴8的外壁沿周向均布有垂直于传力中轴8的多个传力轴81，内空心柱31的壁上开有导向孔34，传力轴81布置在导向孔34内，传力轴81布置在导向孔34内并能在导向孔34上运动，外空心柱32的内壁上固装有力传感器4，伸出导向孔34的传力轴81的端部与力传感器4在轴向上滑动接触；

外盖板16盖在外壳18上，外空心柱32外壁固装有向外延伸的隔板33，外盖板16与隔板33之间沿周向均布有四组力传感单元，隔板33与外壳18底部之间沿周向均布有四组力传感单元，外盖板16和外壳18分别与力传感器4固接，隔板33与力传感器4接触，每组力传感单元主要由一个以上力传感器4组成。

以图5为例，传力中轴8在径向上均布四个传力轴81，传力轴81布置在导向孔34内并能在导向孔34上运动，所述导向孔34在内空心柱31壁上呈倾斜布置。传力轴81可以沿着导向孔33滚动的同时，也可以小幅度径向运动。并且在传力轴81的外侧分别设置力传感器4，这样当内盖板5及内支撑架3有水平方向的力时，由于传力中轴8相对内盖板5能周向转动，内盖板5能相对内支撑架3转动，使得传力中轴8为二力杆结构，水平上的力使传力中轴8发生水平方向的微转动平移，从而导致传力轴81将力传递至力传感器4，从而实现水平面内两个自由度的力（前后和左右）的测量和水平面转动力矩的测量。

同时，在内盖板5受有竖直方向的力时，由于，传力中轴8相对内盖板5能上下移动，竖直方向的力使得内支撑架3竖直运动，四组力传感单元的力传感器4会发生相应的变化，将四组力传感单元进行均值计算即可得出竖直方向的一个作用力。再通过左右和前后的受力差值，则可计算出两个方向所受到的扭矩。从而实现测量六维力测量的功能。

如图3所示，为了进一步确保传力中轴8为二力杆结构，连接套7与内盖板5转动连接，传力中轴8通过径向限位结构与连接套7内孔连接，且传力中轴8能相对连接套7上下移动。如此设置，通过连接套7和径向限位结构使得内盖板5和内支撑架3有水平方向力时，确保了传力中轴8为二力杆结构。

进一步地，如图3所示，所述径向限位结构包括在传力中轴8的上端外壁加工的花键，以及与该花键相配合连接的在连接套7内孔壁上加工的花键槽，连接套7固定在安装于内盖板5下表面上的上关节轴承6内套中。

在一个实施方式中，如图7-图8所示，力传感器4包括由内向外设置的防液层22、电阻栅21、弹性薄膜层20以及传感盖板19；防液层22、电阻栅21和弹性薄膜层20均与传感盖板19固接，力传感器4初始为球形体，传感盖板19受力后电阻栅21的电阻发生变化。传感盖板19为金属面，弹性薄膜层20为柔性材料并且具有较小的弹性模量，具有高韧性，微弹性的柔性材料；防液层22，具有柔性的防液材料，具有一定弹性。电阻栅21以竖直安装方式均布设置在防液层22与弹性薄膜层20之间，并且两端同弹性薄膜层20和防液层22一体固定在传感盖板19上，当防液层22内充满液体23时，由于球为体积最大形式，单元两侧会形成半球面，此时整个液体的体积达到最大状态，这种状态下任何作用在传感盖板19上的力都会导致整体液体腔的体积减小，从而导致单元内部会产生压强的变化，使外表面张力产生变化从而导致电阻栅21发生电阻变化，从而达到检测压力的目的。电阻变化测量由设置于传感盖板19的引出线引出至外部放大器检测。

另一个实施方式中，如图3所示，传力轴81的端部设置有滚轮9，滚轮9插装在安装于传力轴81端部的滚珠轴承上，滚轮9能在导向孔34上滚动，力传感器4的传感盖板19上安装有滑板10，传力轴81的端面与所述滑板10的板面在传力轴8轴向上滑动接触。另外，传力轴8的下端与推力球轴承12内套过盈配合，推力球轴承12外套与力传感器4上的传感盖板19上的孔过盈配合，法兰套14的法兰与力传感器4上的传感盖板19可拆卸连接，法兰套14与安装于内空心柱31上的下关节轴承13内套过盈配合。如此设置，当内盖板5有水平方向的力时，由于上关节轴承6、带有花键槽的连接套7、下关节轴承13及法兰套14均为球铰，所以使得传力中轴8为二力杆结构，所以水平上的力将使得传力中轴8发生水平方向的微转动平移，从而导致滚轮9将力传递至力传感器4，从而实现水平面内两个自由度的力的测量。

进一步地，内部中，上盖板5可为圆盘状，通过推力球轴承12与内支撑架3中的滑槽35配合，通过此配合上盖板5在受到圆周力时与内支撑架3发生相对转动，从而不发生关联运动。传力中轴8上端设有花键，上盖板5下表面安装有上关节轴承6，上关节轴承6内部与含有花键槽的连接套7过盈配合，通过连接套7与传力中轴8上端设有的花键间隙配合连接，这样设置可以实现在传递扭矩的同时，不会发生竖直方向的力的传递。传力中轴8上分布的四个圆柱形的传力轴81前端的滚轮9与滚珠轴承配合，传力轴81与外空心柱32上的力传感器4数量相一致，力传感器4的传感盖板19与内支撑架3上的凸台通过螺丝连接。滚轮9可以沿着导向孔34实现在发生转动时，传力中轴8会产生向下的垂直运动。传力中轴8下端与推力球轴承12过盈配合，推力球轴承12与下部力传感器4过盈配合，使其能够相对运动，法兰套14与力传感器4通过螺丝连接。法兰套14与下关节轴承13过盈配合，这样设置，可以使传力中轴8向下作旋转竖直运动时可以将旋转的扭矩转化成竖直方向的力检测出来，从而实现单自由度扭矩的测量。

如图3、图5和图6所示，外部中，中心对称分布的位于隔板33上部的四组力传感单元的力传感器4与外盖板16通过螺丝配合，中心对称分布的位于隔板33下部的四组力传感单元的力传感器4与外壳18通过螺丝配合。隔板与力传感单元接触，安装时有一定预紧力，保证运动时可以快速产生压强变化，当力传感器4受到竖直方向的力时，力传感单元17会产生相应的变化，将四组力传感单元17的压力变化值，进行求和计算即可得出竖直方向的作用力。再通过左右和前后的受力差值，则可计算出两个方向所受到的扭矩9，力传感单元初始状态是有预压力，由于初始状态是平衡位置，上下压力相等方向相反，当有竖直方向的力作用在隔板33上时一侧压力减小，一侧压力增大，其上下的压力差值为一侧的压力数值，整体计算竖直方向的力需要将四组分别以上下为组合计算差值完成后，计算四组的合力。同理计算扭矩也是先需要计算上下单元的压力差值，然后在通过左右和前后的受力差值，则算出两个方向所受到的扭矩。多组力传感单元17可呈圆形或近似方形布置。

如图5和图6所示，当每组力传感单元17中的力传感器4的数量为2个以上时，每组力传感单元中的相邻两个防液层22连通。每组里传感单元17的力传感器4布置适当数量，一方面确保了外盖板16和外壳18稳定可靠。另一方面确保力的均值计算可靠准确。

工作原理

本申请主要利用合理的结构设计使力传感单元（力传感器）实现测量六维的力，并利用了力传感单元中液体介质（水或油）的压强和表面受力成正比的原理。外部结构中的上下四组力传感单元17主要测量竖直方向的力，以及竖直方向两个自由度的转矩；内部结构中的独立的力传感器4（传力中轴对应布置的力传感器）能够测量水平方向两个力的测量以及水平转动的扭矩测量，从而实现测量六维力测量的功能。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种基于液体压强测量的六维力检测装置，其特征在于：它包括传力中轴（8）、内盖板（5）、内支撑架（3）、外盖板（16）、外壳（18）和力传感器（4）；内支撑架（3）中部具有内空心柱（31）和外空心柱（32），内空心柱（31）和外空心柱（32）间隔布置，传力中轴（8）竖向设置在内空心柱（31）内；

内盖板（5）布置在内空心柱（31）上端，且内盖板（5）能相对内支撑架（3）转动，传力中轴（8）相对内盖板（5）能周向转动，且相对内盖板（5）能上下移动，传力中轴（8）与内空心柱（31）的下端之间布置有与二者连接的力传感器（4），传力中轴（8）与力传感器（4）在周向上相对转动；

传力中轴（8）的外壁沿周向均布有垂直于传力中轴（8）的多个传力轴（81），内空心柱（31）的壁上开有导向孔（34），所述导向孔（34）在内空心柱（31）壁上呈倾斜布置；传力轴（81）布置在导向孔（34）内并能在导向孔（34）上运动，外空心柱（32）的内壁上固装有力传感器（4），伸出导向孔（34）的传力轴（81）的端部与力传感器（4）在轴向上滑动接触；

外盖板（16）盖在外壳（18）上，外空心柱（32）外壁固装有向外延伸的隔板（33），外盖板（16）与隔板（33）之间沿周向均布有四组力传感单元，隔板（33）与外壳（18）底部之间沿周向均布有四组力传感单元（17），外盖板（16）和外壳（18）分别与力传感器（4）固接，隔板（33）与力传感器（4）接触，每组力传感单元（17）由一个以上力传感器（4）组成；

力传感器（4）包括由内向外设置的防液层（22）、电阻栅（21）、弹性薄膜层（20）以及传感盖板（19）；防液层（22）、电阻栅（21）和弹性薄膜层（20）均与传感盖板（19）固接，力传感器（4）初始为球形体，传感盖板（19）受力后电阻栅（21）的电阻发生变化。

2.根据权利要求1所述一种基于液体压强测量的六维力检测装置，其特征在于：连接套（7）与内盖板（5）转动连接，传力中轴（8）通过径向限位结构与连接套（7）内孔连接，且传力中轴（8）能相对连接套（7）上下移动。

3.根据权利要求2所述一种基于液体压强测量的六维力检测装置，其特征在于：所述径向限位结构包括在传力中轴（8）的上端外壁加工的花键，以及与该花键相配合连接的在连接套（7）内孔壁上加工的花键槽，连接套（7）固定在安装于内盖板（5）下表面上的上关节轴承（6）内套中。

4.根据权利要求1、2或3所述一种基于液体压强测量的六维力检测装置，其特征在于：传力轴（81）的端部设置有滚轮（9），滚轮（9）插装在安装于传力轴（81）端部的滚珠轴承上，滚轮（9）能在导向孔（34）上滚动，力传感器（4）的传感盖板（19）上安装有滑板（10），传力轴（81）的端面与所述滑板（10）的板面在传力轴（81）轴向上滑动接触。

5.根据权利要求4所述一种基于液体压强测量的六维力检测装置，其特征在于：传力轴（8）的下端与推力球轴承（12）内套过盈配合，推力球轴承（12）外套与力传感器（4）上的传感盖板（19）上的孔过盈配合，法兰套（14）的法兰与力传感器（4）上的传感盖板（19）可拆卸连接，法兰套（14）与安装于内空心柱（31）上的下关节轴承（13）内套过盈配合。

6.根据权利要求5所述一种基于液体压强测量的六维力检测装置，其特征在于：当每组力传感单元中的力传感器（4）的数量为2个以上时，每组力传感单元中的相邻两个防液层（22）连通。

Images