CN110274725A

CN110274725A - 一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构

Info

Publication number: CN110274725A
Application number: CN201910045465.1A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 胡鸿
Original assignee: Shanghai Zhaoqing Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhaoqing Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2019-09-24

Abstract

本发明公开了一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，包括外环、外环固定螺纹、侧梁、应变梁、内环、内环固定螺纹和石英振梁芯片，石英振梁芯片是一种谐振式力或位移敏感芯片，当其受到拉伸或压缩作用时，其谐振频率发生变化，并且谐振频率的变化量与拉伸或压缩量成正比。发明由于采用石英振梁芯片对应变梁的弯曲变形进行测量，极大地提高了传感器的灵敏度，在此基础上，可以有效的提高弹性体的设计刚度，减小了传感器的受力变形，为六轴力传感器在机器人领域的应用提供更好的位置精度和适用性。

Description

一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构。

背景技术

六轴力传感器是机器人末端力控制的核心器件，其性能对机器人的力控效果至关重要。目前主流的应变片式六轴力传感器采用十字梁结构，通过应变片检测弹性梁的弯曲形变，采用解耦算法计算出三个方向的力和力矩大小。

由于应变片性能的制约，目前的六轴力传感器的敏感范围均只覆盖4-5 个数量级，在末端夹具等的重力影响下，实际的敏感范围范围十分有限。同时，为了增大输出响应，应变片式六轴力传感器的自身刚度设计值都比较小，一方面使其自身的形变都比较大，另一方面受到过载冲击时，容易发生结构破坏。

发明内容

本发明公开了一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构。本发明采用石英振梁芯片作为敏感元件，测量弹性梁的弯曲变形，通过解耦算法，计算出六个方向的受力大小。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，包括外环、外环固定螺纹、侧梁、应变梁、内环、内环固定螺纹和石英振梁芯片，所述外环上间隔均匀的开设有若干个外环固定螺纹，所述内环上间隔均匀的开设有若干个内环固定螺纹，所述内环与外环之间通过三个或三个以上的应变梁进行连接，并在其中至少三个应变梁上布置石英振梁芯片，所述石英振梁芯片的两端采用粘接或焊接的方法，分别固定于应变梁的两端。

作为本发明的一种优选技术方案，每个所述应变梁的四个面上均固定设置有豁槽。

作为本发明的一种优选技术方案，所述石英振梁芯片的中轴线与应变梁的中轴线重合。

作为本发明的一种优选技术方案，所述石英振梁芯片通过金丝焊接、导电胶粘接和软钎焊等方式与外围测绘电路进行连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在小应变测量方面，石英振梁芯片具有极高的检测精度和检测范围；其对拉伸或压缩应变的测量范围可以覆盖1*10^-11至5*10^-4，比应变片的敏感高三到四个数量级；量程范围内非线性小，有利于传感器的标定；石英为晶体材料，其抗疲劳特性优于金属、单晶硅或聚酰亚胺等材料，具有可靠地长期稳定性。

本发明由于采用石英振梁芯片对应变梁的弯曲变形进行测量，极大地提高了传感器的灵敏度，在此基础上，可以有效的提高弹性体的设计刚度，为六轴力传感器在机器人领域的应用提供更好的位置精度和适用性。

附图说明

图1为本发明一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构的弹性体结构示意图；

图2为本发明一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构实施例1的示意图；

图3为本发明一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构石英振梁芯片分布剖视示意图；

图4为本发明一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构石英振梁芯片另一种分布剖视示意图；

图5为本发明一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构实施例2的示意图；

图中：1、外环；2、外环固定螺纹；3、侧梁；4、应变梁；5、内环；6、内环固定螺纹；7、石英振梁芯片。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-5所示，一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，包括外环1、外环固定螺纹2、侧梁3、应变梁4、内环5、内环固定螺纹6和石英振梁芯片7，所述外环1上间隔均匀的开设有若干个外环固定螺纹2，所述内环5上间隔均匀的开设有若干个内环固定螺纹6，所述内环5与外环1之间通过三个或三个以上的应变梁4进行连接，并在其中至少三个应变梁4上布置石英振梁芯片7，所述石英振梁芯片7的两端采用粘接或焊接的方法，分别固定于应变梁4的两端。

本实施例中，优选的，每个所述应变梁4的四个面上均固定设置有豁槽。

本实施例中，优选的，所述石英振梁芯片7的中轴线与应变梁4的中轴线重合。

本实施例中，优选的，所述石英振梁芯片7通过金丝焊接、导电胶粘接和软钎焊等方式与外围测绘电路进行连接。

下面结合实施例说明本发明的敏感原理：

石英振梁芯片是一种谐振式力或位移敏感芯片，当其受到拉伸或压缩作用时，其谐振频率发生变化，并且谐振频率的变化量与拉伸或压缩量成正比。

实施例1:弹性体为正交十字梁式，包括外环1、外环固定螺纹2、内环5、内环固定螺纹6、四个正交分布的侧梁301～304、四个正交分布的应变梁 401～404。应变梁4四个面上均有豁槽。石英振梁芯片7粘贴于应变梁4的正面和侧面的中轴线上，两端横跨在豁槽两边。石英振梁芯片7通过金丝焊接或其他方式连接到检测电路上。本实施例中采用4组共16个石英振梁芯片7 实现检测效果(x正方向711～714，y负方向721～724，x负方向731～734，y 正方向741～744)。

设外环1固定，外力/力矩加载于内环5上。

当有外界x正方向力Fx输入时，y方向的两个应变梁402、404向x正方向弯曲，贴于x正侧面的石英振梁芯片721、742被拉伸，频率升高；贴于x 负侧面的石英振梁芯片722、741被压缩，频率降低。

当有外界y正方向力Fy输入时，x方向的两个应变梁401、403向y正方向弯曲，贴于y正侧面的石英振梁芯片711、732被拉伸，频率升高；贴于y 负侧面的石英振梁芯片712、732被压缩，频率降低。

当有外界z正方向力Fz输入时，四个应变梁4均向z正方向弯曲，贴于 z正方向的石英振梁芯片713、723、733、743被拉伸，频率升高；贴于z负方向的石英振梁芯片714、724、734、744被压缩，频率降低。

当有外界x正方向力矩Tx输入时，y正方向应变梁404发生弯曲，贴于 z正方向石英振梁芯片743被拉伸，频率升高，贴于z负方向石英振梁芯片744 被压缩，频率降低；y负方向应变梁402发生弯曲，贴于z正方向石英振梁芯片723被压缩，频率降低，贴于z负方向石英振梁芯片744被拉伸，频率升高。

当有外界y正方向力矩Ty输入时，x正方向应变梁401发生弯曲，贴于 z正方向石英振梁芯片713被压缩，频率降低，贴于z负方向石英振梁芯片714 被拉伸，频率升高；x负方向应变梁403发生弯曲，贴于z正方向石英振梁芯片733被拉伸，频率升高，贴于z负方向石英振梁芯片734被压缩，频率降低。

当有外界z正方向力矩Tz输入时，四个应变梁4均发生弯曲，石英振梁芯片711、721、731、741被拉伸，频率升高；石英振梁芯片712、722、732、 742被压缩，频率降低。

若忽略加工与装配误差，则每个应变梁4上对位粘接的芯片对，其频率之差的变化与外力大小有如下关系(将石英振梁芯片711的频率变化记为f₇₁₁，以此类推)：

	f<sub>711</sub>-f<sub>712</sub>	f<sub>721</sub>-f<sub>722</sub>	f<sub>731</sub>-f<sub>732</sub>	f<sub>741</sub>-f<sub>742</sub>	f<sub>713</sub>-f<sub>714</sub>	f<sub>723</sub>-f<sub>724</sub>	f<sub>733</sub>-f<sub>734</sub>	f<sub>743</sub>-f<sub>744</sub>
									Fx	0	K<sub>1</sub>	0	-K<sub>1</sub>	0	0	0	0
Fy	K<sub>1</sub>	0	-K<sub>1</sub>	0	0	0	0	0
									Fz	0	0	0	0	K<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>
Tx	0	0	0	0	0	-K<sub>3</sub>	0	K<sub>3</sub>
									Ty	0	0	0	0	-K<sub>3</sub>	0	K<sub>3</sub>	0
Tz	K<sub>4</sub>	K<sub>4</sub>	K<sub>4</sub>	K<sub>4</sub>	0	0	0	0

其中：K₁、K₂、K₃、K₄为芯片对频率之差变化量与相关的六维力的比值，与弹性体结构相关。

传感器的输出信号是芯片对的频差信号，通过差分的方法，排除了温度等共模误差的干扰。本实施例中共有8个芯片对，有八个通道的信号输出：

△f₁＝f₇₁₁-f₇₁₂＝K₁*Fy+K₄*Tz

△f₂＝f₇₂₁-f₇₂₂＝K₁*Fx+K₄*Tz

△f₃＝f₇₃₁-f₇₃₂＝-K₁*Fy+K₄*Tz

△f₄＝f₇₄₁-f₇₄₂＝-K₁*Fx+K₄*Tz

△f₅＝f₇₁₃-f₇₁₄＝K₂*Fz-K₃*Ty

△f₆＝f₇₂₃-f₇₂₄＝K₂*Fz-K₃*Tx

△f₇＝f₇₃₃-f₇₃₄＝K₂*Fz+K₃*Ty

△f₈＝f₇₄₃-f₇₄₄＝K₂*Fz+K₃*Tx

通过计算可以得到：

Fx＝(△f₂-△f₄)/2K₁

Fy＝(△f₁-△f₃)/2K₁

Fz＝(△f₈+△f₆)/2K₂＝(△f₇+△f₅)/2K₂

Tx＝(△f₈-△f₆)/2K₃

Ty＝(△f₇-△f₅)/2K₃

Tz＝(△f₁+△f₃)/2K₄＝(△f₂+△f₄)/2K₄

转化为传感器的输出方程：

由于传感器的加工和装配误差，各维力之间可能存在少量的耦合，系数矩阵中的零元项，可能是非零小量，这需要通过传感器标定进行修正。

实施例2：

与实施例1相比，本实施例中弹性体只有三个互成120°的应变梁4，三组六对共十二只石英振梁芯片7，输出六个芯片对的频差信号。通过减少应变梁4数量，降低了制造成本。虽然三个应变梁4不是正交分布，存在较强的维间耦合，但仍可以通过解耦算法，得到六维力与六个频差信号的转换关系。

本发明所述的敏感结构，与传感器的外壳、测量电路、数据处理电路一起，构成完整的六维力传感器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。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描述的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，本发明还会有各种变化和改进，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

1.一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，包括外环(1)、外环固定螺纹(2)、侧梁(3)、应变梁(4)、内环(5)、内环固定螺纹(6)和石英振梁芯片(7)，其特征在于：所述外环(1)上间隔均匀的开设有若干个外环固定螺纹(2)，所述内环(5)上间隔均匀的开设有若干个内环固定螺纹(6)，所述内环(5)与外环(1)之间通过三个或三个以上的应变梁(4)进行连接，并在其中至少三个应变梁(4)上布置石英振梁芯片(7)，所述石英振梁芯片(7)的两端采用粘接或焊接的方法，分别固定于应变梁(4)的两端。

2.根据权利要求1所述的一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，其特征在于：每个所述应变梁(4)的四个面上均固定设置有豁槽。

3.根据权利要求1所述的一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，其特征在于：所述石英振梁芯片(7)的中轴线与应变梁(4)的中轴线重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于石英振梁的六轴力传感器敏感结构，其特征在于：所述石英振梁芯片(7)通过金丝焊接、导电胶粘接和软钎焊等方式与外围测绘电路进行连接。