CN110608824A - 一种六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种六维力传感器，属于传感器技术领域。它解决了现有的传感器量程较小的问题。本六维力传感器，包括呈筒状的外圈、设置在外圈内的中心轴台以及连接中心轴台和外圈的若干个弹性梁，所述弹性梁的上表面与中心轴台的上表面齐平，中心轴台的上表面开设有螺纹孔，六维力传感器还包括有设置在外圈内并位于中心轴台的上方的加载盖，加载盖的下表面具有与中心轴台相抵靠的凸台，加载盖与中心轴台固定连接，加载盖的上表面开设有连接孔。本结构提高传感器的量程以及维修的便利性。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是一种六维力传感器。
背景技术
多维力与力矩传感器是机电控制系统中一类非常重要的机械量测量传感器，它是保证精密装配、精密操作、精密控制以及人机交互控制的基础元件，也是机器人完成接触性作业任务的保障，如空间探测技术、空间机械手力控制、工业机器人、水下机器人遥控操作等都需要大量程高精度多维力与力矩传感器。六维力传感器大多包括有外壳体和设置在外壳体内的传感器主体，传感器主体包括加载台和外圈，加载台位于外圈内，加载台与外圈之间均通过弹性梁连接，每根弹性梁的外侧壁上均设置有应变片，电路板设置在外壳体内并固定在加载台的下表面，应变片与电路板电连接，使用过程中，加载台通过紧固件与工具固定连接，工具动作后力施加在加载台上，使得弹性梁发生形变，进而使应变片阻值变化，并通过电路板转化成电压信号用于检测力的大小。
例如，中国专利网公开了一种用于测量大型机械臂大力和小力矩的六维力与力矩传感器【授权公告号：CN103076131A】，它包括中心轴、力敏元件、底座和应变片元件，力敏元件固定连接在底座上，中心轴穿过力敏元件和底座，力敏元件包括四根弹性主梁、四根弹性副梁、呈正八角形的中心轴台、四个固定台、四个主浮动梁和四个副浮动梁。传感器是通过中心轴台安装到工具上的，为了避免应变片与工具接触，参考该专利的说明书附图可知，弹性梁的上表面与中心轴台的上表面有一定的高度差，这种结构使得传感器在使用过程中，弹性梁的四个侧壁均与中心轴台的外侧壁垂直，弹性梁的侧壁与中心轴台的外侧壁之间具有四个交界处，使用时弹性梁上的最大应力集中在弹性梁的上侧壁与中心轴台的外侧壁之间的交界处，使得弹性梁与中心轴台连接的一端受力性能较差，容易发生断裂损坏，导致量程较小，并且当弹性梁与中心轴台连接的一端发生断裂后，整个传感器就报废，用户对传感器的使用成本较高。除此之外，由于弹性梁与中心轴台一般都是一体成型的，即弹性梁与中心轴台是在同一块金属块上加工出来的，上述的弹性梁与中心轴台的结构不方便加工制造。
为了方便弹性梁与中心轴台的加工制造，中国专利网还公开了一种六维力传感器【授权公告号：CN208704938U】，它包括内圈结构、外圈结构以及均匀分布在内圈和外圈结构之间的若干测量梁，测量梁包括四个臂面，分别为上臂面、下臂面、左臂面和右臂面，臂面上均设有应变片。参照该专利的说明书附图可知，测量梁的上表面与内圈的上表面是齐平的，方便测量梁与内圈的加工制造，但是由于传感器是通过内圈固定在工具上的，应变片容易与工具发生触碰，形成安装干涉，另外，使用时测量梁上的最大应力集中在测量梁与外圈的交界处，导致量程较小。除此之外，以上公开的两个传感器使用时力都是直接作用在中心轴台或内圈上的，容易对中心轴台或内圈造成损坏，一旦中心轴台或内圈损坏后是不可修复的，整个传感器就直接报废。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种六维力传感器，本发明所要解决的技术问题是：如何提高传感器的量程以及维修的便利性。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种六维力传感器，包括呈筒状的外圈、设置在外圈内的中心轴台以及连接中心轴台和外圈的若干个弹性梁，所述弹性梁的上表面与中心轴台的上表面齐平，所述中心轴台的上表面开设有螺纹孔，其特征在于，所述六维力传感器还包括有设置在外圈内并位于中心轴台的上方的加载盖，所述加载盖的下表面具有与中心轴台相抵靠的凸台，所述加载盖与中心轴台固定连接，所述加载盖的上表面开设有连接孔。
使用时，本六维力传感器的下端安装在机械臂上，六维力传感器的上端通过加载盖上的连接孔与工具固定连接，即工具上的螺栓或螺钉与连接孔旋接使得六维力传感器与工具固定，工作时，外力通过加载盖传递至中心轴台上，进而引起弹性梁的变形，实现六维力传感器用于检测力的目的。加载盖与中心轴台通过紧固件连接后，由于凸台的设置，使得加载盖的下表面与弹性梁的上表面之间具有间距，凸台的厚度即为该间距，弹性梁的上下、前后表面均布置有应变片，而该间距就是为了使弹性梁的上表面能够布置应变片，加载盖的设置不会与应变片发生干涉，在工作过程中，力是直接作用在加载盖上的，加载盖受到外力作用后间接作用在中心轴台上，并且通过中心轴台传递至弹性梁上，最大应力主要发生在凸台与加载盖的连接处，弹性梁与外圈的连接处的应力、弹性梁与中心轴台的连接处的应力均远小于加载盖处的应力，降低了弹性梁与中心轴台的连接处的应力，本结构通过将应力最大值转移至加载盖上来大大提高了六维力传感器的量程，另外，由于应力集中在加载盖上，可通过更改材料或进行适当热处理来强化加载盖，即使加载盖出现损坏，可将加载盖更换掉，整个六维力传感器还可照常使用，提高了六维力传感器的可维护性，大大降低了用户的使用成本，最后，增设加载盖后，传感器与工具端的接触面增大，工具端定位的准确性提高，提高了六维力传感器的可靠性。
在上述的一种六维力传感器中，所述加载盖与中心轴台通过若干个紧固件连接，若干个紧固件围绕加载盖的圆心间隔设置。加载盖通过多个紧固件固定在中心轴台上，使得加载盖的定位稳定、牢靠，并且紧固件的这种布置方式使得加载盖受力均匀。
在上述的一种六维力传感器中，所述加载盖下表面的边沿处具有若干个加厚台，加厚台的个数与弹性梁的个数相同，加厚台位于相邻的两弹性梁之间，所述加厚台与弹性梁的侧壁、中心轴台的侧壁之间均具有间隙，每个加厚台上均开设有上述的连接孔。加厚台的设置是为了增加加载盖的厚度，从而使得连接孔有较大深度，六维力传感器安装时，工具上的紧固件与连接孔旋接，连接孔的深度较深使得与紧固件的接触面积较大，提高六维力传感器安装的稳定性。
在上述的一种六维力传感器中，所述外圈、中心轴台和弹性梁为一体成型。提高了弹性梁与中心轴台的受力性能，提高了传感器量程，另一方面还方便传感器的加工制造。
在上述的一种六维力传感器中，所述凸台下表面的中部具有定位柱，所述中心轴台上表面的中部开设有定位孔三，所述定位柱插入至定位孔三内。加载盖安装时，先将定位柱插入至定位孔三内，对加载盖在水平方向上进行限位，然后转动加载盖，使得通孔与中心轴台上的螺纹孔对准，方便下一步将紧固件穿过通孔与螺纹孔螺纹连接。
在上述的一种六维力传感器中，所述外圈的外周面上沿其周向开设有若干个凹槽并在凹槽处形成浮动梁，若干个浮动梁与若干个弹性梁一一对应，所述弹性梁的一端与相应的浮动梁连接。浮动梁的设置使得弹性梁与浮动梁连接的一端更易发生形变，有利于对力的检测，并且在外圈的外周面上开设凹槽的结构使得浮动梁更易加工。
在上述的一种六维力传感器中，所述弹性梁的横截面为矩形，所述弹性梁的一端至另一端逐渐增大，并且弹性梁连接外圈的一端为小端、连接中心轴台的一端为大端。弹性梁的横截面从小端至大端逐渐增大，截面越大刚度越大，使得弹性梁的刚度从小端至大端逐渐增大，进而使得弹性梁的形变性能从小端至大端逐渐降低，在使用过程中弹性梁的形变是从与外圈连接的一端开始的，并逐渐延伸至与中心轴台连接的一端，既能保证弹性梁与外圈连接的一端易发生形变，又能保证弹性梁在形变过程的结构强度，进而大大提高传感器的量程。
在上述的一种六维力传感器中，所述加载盖上表面的圆心位置开设有定位孔一，所述加载盖上表面的边沿处开设有定位孔二，所述加载盖上表面的边沿处具有用于标示+Y向的标记一和用于标示+X向的标记二，标记二位于定位孔二旁，标记一和标记二分别与定位孔一的圆心的连线相互垂直。标记一与定位孔一的连线即为+Y向，标记二与定位孔一的连线即为+X向，标记二用于+X向标记，由于传感器使用时工具要安装到上面，标记一和标记二用于工具安装时的定向，保证工具能够快速准确的安装。
在上述的一种六维力传感器中，所述六维力传感器还包括有电路板，所述电路板通过螺钉一固定在中心轴台下表面，所述电路板与中心轴台下表面之间具有套设在螺钉一上的间隔柱。电路板与应变片电连接，应变片变形后产生阻值变化，并通过电路板转换成电压信号，来达到检测力的目的，间隔柱的设置使得电路板与中心轴台的下表面、弹性梁的下表面均具有一定的间隙，避免与弹性梁下表面上的应变片发生干涉。
在上述的一种六维力传感器中，所述六维力传感器还包括有底盖，所述底盖通过螺钉二与外圈的下端固定连接。底盖将外圈的下端封闭，起到保护电路板的作用。
与现有技术相比，本发明的六维力传感器具有以下优点：本结构的加载盖受到外力作用后，最大应力主要发生在凸台与加载盖的连接处，弹性梁与外圈的连接处以及弹性梁与中心轴台的连接处的应力远小于加载盖处的应力，本结构通过将应力最大值转移至加载盖上来大大提高了六维力传感器的量程，另外，由于应力集中在加载盖上，可通过更改材料或进行适当热处理来强化加载盖，即使加载盖出现损坏，可将加载盖更换掉，整个六维力传感器还可照常使用，提高了六维力传感器的可维护性，大大降低了用户的使用成本，增设加载盖后，传感器与工具端的接触面增大，工具端定位的准确性提高，提高了六维力传感器的可靠性。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的爆炸结构示意图。
图3是本发明的俯视图。
图4是图3中A-A的剖面结构示意图。
图5是图3中B-B的剖面结构示意图。
图6是本发明的加载盖的立体结构示意图。
图7是本发明卸去底盖和电路板后的俯视图。
图8是本发明的传感器与法兰盘连接的爆炸结构示意图。
图9是实验时采用的对比传感器的立体结构示意图。
图中，1、外圈；11、凹槽；12、浮动梁；2、中心轴台；21、定位孔三；3、弹性梁；3a、小端；3b、大端；4、加载盖；41、连接孔；42、凸台；43、加厚台；44、定位柱；45、标记二；46、标记一；47、通孔；48、定位孔一；49、定位孔二；5、紧固件；6、电路板；7、底盖；8、螺钉一；9、间隔柱；10、螺钉二；13、应变片；14、法兰盘；141、安装孔；142、销孔一；143、销孔二；15、定位销；16、螺栓。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1、图2和图5所示，本六维力传感器，包括外圈1、中心轴台2、弹性梁3、加载盖4和底盖7，若干个弹性梁3围绕中心轴台2间隔布置，弹性梁3的一端与中心轴台2的外周面连接、另一端与外圈1的内周面连接，弹性梁3的上表面与中心轴台2的上表面齐平，中心轴台2的上表面开设有螺纹孔22，弹性梁3的四个外壁上均设置有应变片13，电路板6通过螺钉一8固定在中心轴台2下表面，电路板6与中心轴台2下表面之间具有套设在螺钉一8上的间隔柱9，应变片13与电路板电连接，底盖7通过螺钉10与外圈1的下端固定连接。
如图2、图4和图5所示，加载盖4设置在外圈1内并位于中心轴台2的上方的，加载盖4的下表面具有与中心轴台2相抵靠的凸台42，凸台42为圆柱形，凸台42的外径与中心轴台2的外径相接近，所述加载盖4上开设有与螺纹孔22一一对应的通孔47，紧固件5穿过通孔47后与螺纹孔22螺纹连接将加载盖4压紧在中心轴台2上，加载盖4的上表面开设有连接孔41，连接孔41的内周面上开设有内螺纹。本实施例中，螺纹孔22、通孔47和紧固件5均具有若干个，若干个螺纹孔22围绕中心轴台2的中心间隔设置，若干个通孔47和若干个紧固件5均围绕加载盖4的圆心间隔设置。使用时，本六维力传感器通过底盖7安装在机械臂上，六维力传感器通过加载盖4上的连接孔41与工具固定连接，即工具上的螺栓或螺钉与连接孔41旋接使得六维力传感器与工具固定，工作时，外力通过加载盖4传递至中心轴台2上，进而引起弹性梁3的变形，实现六维力传感器用于检测力的目的。加载盖4与中心轴台2通过紧固件5连接后，由于凸台42的设置，使得加载盖4的下表面与弹性梁3的上表面之间具有间距，凸台42的厚度即为该间距，而该间距就是为了使弹性梁3的上表面能够布置应变片13，加载盖4的设置不会与弹性梁3上表面的应变片13发生干涉。
在工作过程中，力是直接作用在加载盖4上的，加载盖4受到外力作用后，力间接传递至中心轴台2上，进而传递至弹性梁3上，最大应力主要发生在凸台42与加载盖4的连接处，使得弹性梁3与浮动梁的连接处的应力、弹性梁3与中心轴台2的连接处的应力均远小于加载盖4处的应力，提高了六维力传感器的量程，另外，由于应力集中在加载盖4上，可通过更改材料或进行适当热处理来强化加载盖4，即使加载盖4出现损坏，可将加载盖4更换掉，整个六维力传感器还可照常使用，提高了六维力传感器的可维护性，大大降低了用户的使用成本，最后，增设加载盖4后，传感器与工具端的接触面增大，工具端定位的准确性提高，提高了六维力传感器的可靠性。
如图9所示，对比传感器的弹性梁的上表面与中心轴台的上表面之间存在间隙，通过软件建模来对对比传感器和本申请传感器进行受力仿真实验，得到实验数据如下表1所示：
表1
综合以上各工况，总结如表1，从表1可知：两种弹性体在力FX/FY/FZ作用下的最大应力值相近，但在力矩MX/MY/MZ作用下，对比传感器的最大应力值是本申请传感器最大应力值的1.29-1.37倍，即本申请的传感器在MX/MY/MZ方向的量程可扩大1.29-1.37倍。
进一步的，外圈1、中心轴台2和弹性梁3为一体成型，提高了弹性梁3与中心轴台2的受力性能，提高了传感器量程，方便传感器的加工制造。
如图6和图7所示，加载盖4下表面的边沿处具有若干个加厚台43，加厚台43的个数与弹性梁3的个数相同，若干个加厚台43分别延伸至相邻的两弹性梁3之间，加厚台43与弹性梁3的侧壁、中心轴台2的侧壁之间均具有间隙，每个加厚台43上均开设有上述的连接孔41。加厚台43的设置是为了增加加载盖4的厚度，这样就开设的连接孔41的深度较深，六维力传感器安装时，工具上的紧固件与连接孔41螺纹连接，连接孔41的深度较深使得与紧固件的接触面积较大，提高六维力传感器安装的稳定性。
如图4和图5所示，凸台42下表面的中部具有定位柱44，中心轴台2上表面的中部开设有定位孔21，定位柱44插入至定位孔三21内。加载盖4安装时，先将定位柱插44入至定位孔三21内，对加载盖4在水平方向上进行限位，然后转动加载盖4，使得通孔47与中心轴台2上的螺纹孔22对准，方便下一步将紧固件5穿过通孔47与螺纹孔22螺纹连接。
如图2和图7所示，外圈1的外周面上开设有沿其周向开设有若干个凹槽11并在凹槽11处形成浮动梁12，若干个浮动梁12具有与若干个弹性梁3一一对应，所述弹性梁3的一端与相应的浮动梁12连接，浮动梁12的设置使得弹性梁3与浮动梁12连接的一端部更易发生形变，有利于对力的检测，并且在外圈1的外周面上开设凹槽11的结构使得浮动梁12更易加工。弹性梁3的横截面为矩形，弹性梁3的一端至另一端逐渐增大，并且弹性梁3连接外圈1的一端为小端3a、连接中心轴台2的一端为大端3b。弹性梁3的横截面从小端3a至大端3b逐渐增大，截面越大刚度越大，使得弹性梁3的刚度从小端3a至大端3b逐渐增大，进而使得弹性梁3的形变性能从小端3a至大端3b逐渐降低，在使用过程中弹性梁3的形变是从与外圈1连接的一端开始的，并逐渐延伸至与中心轴台2连接的一端，保证弹性梁3与外圈1连接的一端易发生形变，又能保证弹性梁3在形变过程的结构强度，进而大大提高传感器的量程。
如图1和图2所示，加载盖4上表面的圆心位置开设有定位孔一48，加载盖4上表面的边沿处开设有定位孔二49，定位孔一48的圆心与定位孔二49的圆心的连线与加载盖4的直径重合，加载盖4上表面的边沿处具有用于标示+Y向的标记一46和用于标示+X向的标记二45，标记二45位于定位孔二49旁，标记一46和标记二45分别与定位孔一48的圆心的连线相互垂直。标记一46与定位孔一48的连线即为+Y向，定位孔二49与定位孔一48的连线即为+X向，，标记二45用于+X向标记。
由于传感器使用时通过加载盖4安装到工具的法兰盘14上，法兰盘14上开设有与连接孔41一一对应的安装孔141，安装时，直接将螺栓或螺钉插入至安装孔141并与连接孔41螺纹连接的话，由于连接孔41为螺纹孔，连接孔41内具有间隙，在固定法兰盘14的过程中使得法兰盘14存在向左或向右或向前或向后或其他方向偏移的问题，导致工具定向不准确，影响传感器的检测精度；法兰盘14上开设有与定位孔一48对应的销孔一142以及与定位孔二49对应的销孔二143，安装时，先将定位孔一48与销孔一142对准，定位孔二49与销孔二143对准，将其中一根定位销15插入至定位孔一48和销孔一142内，将另一根定位销15入至定位孔二49和销孔二143内，这样通过两根定位销15就将加载盖4和法兰盘14进行定位，此时连接孔41与安装孔141一一对应，连接孔41为螺纹孔，将螺栓16插入至安装孔141并与连接孔41螺纹连接，使得加载盖4和法兰盘14固定在一起，这种固定方式使得工具的定向十分准确，有利于提高传感器的检测精度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种六维力传感器，包括外圈(1)、设置在外圈(1)内的中心轴台(2)以及连接中心轴台(2)和外圈(1)的若干个弹性梁(3)，所述弹性梁(3)的上表面与中心轴台(2)的上表面齐平，其特征在于，所述六维力传感器还包括有设置在外圈(1)内并位于中心轴台(2)的上方的加载盖(4)，所述加载盖(4)的下表面具有与中心轴台(2)相抵靠的凸台(42)，所述加载盖(4)与中心轴台(2)固定连接，所述加载盖(4)的上表面开设有连接孔(41)。
2.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述加载盖(4)与中心轴台(2)通过若干个紧固件(5)连接，若干个紧固件(5)围绕加载盖(4)的圆心间隔设置。
3.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述加载盖(4)下表面的边沿处具有若干个加厚台(43)，加厚台(43)的个数与弹性梁(3)的个数相同，加厚台(43)位于相邻的两弹性梁(3)之间，所述加厚台(43)与弹性梁(3)的侧壁、中心轴台(2)的侧壁之间均具有间隙，每个加厚台(43)上均开设有所述的连接孔(41)。
4.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述外圈(1)、中心轴台(2)和弹性梁(3)为一体成型。
5.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述凸台(42)下表面的中部具有定位柱(44)，所述中心轴台(2)上表面的中部开设有定位孔三(21)，所述定位柱(44)插入至定位孔三(21)内。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述外圈(1)的外周面上开设有沿其周向开设有若干个凹槽(11)并在凹槽(11)处形成浮动梁(12)，若干个浮动梁(12)与若干个弹性梁(3)一一对应，所述弹性梁(3)的一端与相应的浮动梁(12)连接。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述弹性梁(3)的横截面为矩形，所述弹性梁(3)的一端至另一端逐渐增大，并且弹性梁(3)连接外圈(1)的一端为小端(3a)、连接中心轴台(2)的一端为大端(3b)。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述加载盖(4)上表面的圆心位置开设有定位孔一(48)，所述加载盖(4)上表面的边沿处开设有定位孔二(49)，所述加载盖(4)上表面的边沿处具有用于标示+Y向的标记一(46)和用于标示+X向的标记二(45)，标记二(45)位于标定孔二(49)旁，标记一(46)和标记二(45)分别与标定孔一(48)的圆心的连线相互垂直。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述六维力传感器还包括有电路板(6)，所述电路板(6)通过螺钉(8)固定在中心轴台(2)下表面，所述电路板(6)与中心轴台(2)下表面之间具有套设在螺钉一(8)上的间隔柱(9)。
10.根据权利要求9所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述六维力传感器还包括有底盖(7)，所述底盖(7)通过螺钉二(10)与外圈(1)的下端固定连接。
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