CN110987244A - 一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器、检测方法及智能设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器、检测方法及智能设备，包括外壳、弹性体、第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，所述弹性体设置于外壳内部，所述弹性体包括有底板、检测板和第一凸台，所述底板与所述检测板之间设置有支柱且检测板位于底板上方，所述第一凸台设置于检测板上方，所述检测板下表面上设置有沉槽，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头分别均布在所述底板上且不与所述检测板接触；本发明提出的力传感器具有体积小、抗干扰、承载能力强等特点，并且具备直接从机械本体上调节传感器测力范围和精度的能力，灵活性极强。

Description

一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器、检测方法及 智能设备

技术领域

本发明涉及力传感器技术领域，具体涉及一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器、检测方法及智能设备。

背景技术

随着智能装备的快速发展,传感器作为机器人与外界环境交互的媒介,正受到越来越广泛的应用。当前小型化，简单化，高负载，高精度是六维力传感器发展的主要方向。

现有的力传感器主要是使用电阻应变片进行检测的,通过设计合适的弹性体结构,将应变片粘贴在应变最大的位置。如专利号为CN101034022A的中国专利公开了一种六维RSS力传感器，由两个平台以及中间的六个弹性体连接而成，弹性体表面均贴有应变片，通过杆长和弹性转动副厚度尺寸变化可以设计成不同量程和灵敏度的六维力传感器，具有误差小、灵敏度高等特点；专利号为CN106556488A的中国专利公开了一种应变式六维力传感器，通过采用多个弹性体和合理的应变片组桥方案设计，很好的消除维间耦合，通过特殊结构的弹性体，使得传感器有很好的刚度和灵敏度。

但上述传感器均有较大体积,占用较大空间，在狭窄空间内难以适用，并且应变式力传感器由于应变片与弹性体的连接使用粘贴工艺实现，会产生较大的蠕变、迟滞等问题，导致传感器测量准确度不高，尤其是动态测量时滞后较严重，频响不高；另外应变片的栅丝为金属丝，在磁场干扰较大的场合，应变式力传感器较难推广使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器、检测方法及智能设备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，包括外壳、弹性体、第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，所述弹性体设置于外壳内部，所述弹性体包括有底板、检测板和第一凸台，所述底板与所述检测板之间设置有支柱且检测板位于底板上方，所述第一凸台设置于检测板上方，所述检测板下表面上设置有沉槽，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头分别均布在所述底板上且不与所述检测板接触，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头可以通过电流激发涡流磁场变化进而感应出弹性体的变形量和变形方向。当存在力加载时，弹性体发生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即可检测出力的大小和方向。

进一步的，所述外壳为空心圆柱结构，所述外壳顶面设置有均布的四个第一过孔，所述外壳中心设置有第二过孔，所述第二过孔半径大于第一过孔半径。外壳主要起到安全防护的作用，第一过孔用于定位固定，第二过孔用于避让弹性体，避免对弹性体的检测造成影响。

进一步的，所述第一凸台为环形凸台结构，所述第一凸台上设置有四个均布的螺钉孔。螺钉孔用于负载的安装固定，均布的设置可以使负载的安装更为稳定。

进一步的，所述检测板为薄壁板式结构，所述检测板上设置有四个均布的第一通孔，所述第一通孔与所述第一过孔位置对应。第一通孔与第一过孔对应，主要用于弹性体的定位固定。

进一步的，所述支柱具体为瓶颈状结构，且为圆弧过渡结构，且所述第一凸台内径大于所述支柱的最大外径。避免检测时应力集中或力传递受阻导致传感器测力无效，有效保证了传感器检测的可靠性和稳定性。

进一步的，所述底板上设置有四个均布的第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔位置对应。第二通孔与第一通孔对应，主要用于传感器的固定安装。

进一步的，所述底板上设置有四个均布的第二凸台，所述第二凸台与所述第二通孔相隔45°设置，所述第二凸台上均设置有内螺纹，所述内螺纹位置正对沉槽的一侧槽边。内螺纹主要用于与感应探头的外螺纹对应安装，使得感应探头可以稳定安装在第二凸台上，且避免了与第二通孔的接触。

进一步的，所述底板外侧设置有凸缘，所述底板底部设置有凹槽。凸缘主要用于对外壳的限位，凹槽主要用于定位固定。

进一步的，所述弹性体中间设置有第三通孔。第三通孔主要用于弹性体的安装限位。

进一步的，所述第一探头包括探头支架和线圈，所述线圈设置在探头支架内，所述探头支架具体为柱状结构，所述探头支架外侧圆周上设置有外螺纹，所述探头支架外侧还开有四个局部的缺口，所述探头支架端部设置有直槽。探头支架上的外螺纹用于与壳体配合安装，缺口和直槽便于探头旋拧。

进一步的，所述探头支架内部中空，所述探头支架内部中心位置设置有圆柱。内部中空便于与线圈装配，圆柱起到定位作用。

进一步的，所述线圈具体为中空圆柱结构，所述线圈中心设置有第四通孔，所述第四通孔内径大小与所述圆柱外径一致。方便线圈与探头支架的装配，保证安装的准确性。

进一步的，所述第二探头、第三探头和第四探头结构与所述第一第一探头致。这种结构的设计便于信号线的引出及检测距离的调整，通过旋拧调节距检测面距离可以调节传感器测力量程范围

进一步的，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头均设置在距离检测板下表面0.3-1mm位置。由于感应探头不与弹性体接触，因此可以允许传感器有较大的负载能力及较大的变形量，同时涡流场的频率可达上百千赫，具有较高的分辨率并且可以有效抵抗较大范围的磁场干扰，因此本发明具有体积小、分辨率高、抗干扰的特点。

一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测方法，使用如以上任一项所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。

进一步的，在检测过程中通过第一探头、第二探头、第三探头和第四探头的检测反馈数据判断力的方向。

一种智能设备，包括传感器，所述传感器具体为如以上任一项所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器。

本发明提供的一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器、检测方法及智能设备的有益效果在于：解决了应变式传感器存在的蠕变、迟滞等问题；大负载下节省空间，能够满足在间隙狭窄的场合检测各个方向的力和力矩；响应速度快，动态力测试精度高；而且结构简单、灵敏度高、抗干扰、轻薄、承载力高等特点；其厚度可薄至5mm以内,远比普通应变式六维力传感器更轻薄,由于使用电涡流测量，还具有极高的响应频率，测量更敏感，更灵活。

附图说明

图1为本发明整体结构剖视图；

图2为本发明整体结构底部示意图；

图3为本发明弹性体结构示意图；

图4为本发明弹性体结构剖视图；

图5为本发明实施例1弹性体槽孔位置示意图；

图6为本发明实施例2弹性体槽孔位置示意图；

图7为本发明实施例3弹性体槽孔位置示意图；

图8为本发明实施例4弹性体槽孔位置示意图；

图9为本发明实施例1弹性体槽孔位置剖视图；

图10本发明探头支架结构示意图A；

图11为本发明探头支架结构示意图B；

图12为本发明线圈结构示意图。

图中：1、外壳；2、弹性体；3、第一探头；4、第二探头；5、第三探头；6、第四探头；201、第一凸台；202、检测板；203、第一通孔；204、第二通孔；205、凸缘；206、沉槽；207、第二凸台；208、内螺纹；209、瓶颈状支柱；210、第三通孔；211、凹槽；212、螺钉孔；401、探头支架；402、线圈；411、外螺纹；412、直槽；413、缺口；414、圆柱；421、第四通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1：一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器。

一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，包括包括外壳1、弹性体2、第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6；其中，所述外壳1为空心圆柱414结构，顶面设置有均布的四个第一过孔及中心的第二过孔，用于避让弹性体2，外壳1可以起到安全防护的作用；所述弹性体2为一体成型的三层盘式结构，包括有底板、检测板202和第一凸台201，第一凸台201为环形凸台，第一凸台201上设置有四个均布的螺钉孔212，用于负载的安装固定；检测板202为薄壁板式结构，其上设置有四个均布的第一通孔203，与外壳1上的四个第一过孔的大小相同，检测板202下表面为检测面，上面设置有四个沉槽206；底板与检测板202之间设置有瓶颈状支柱209，用于底板和检测板202的支撑连接；底板上设置有四个均布的第二通孔204，位置与第一通孔203对应，用于传感器的固定；与第二通孔204相隔45°设置有四个均布的第二凸台207，每个第二凸台207上均设置有内螺纹208；外侧设置有凸缘205，用于对外壳1的限位；底面设置有凹槽211；整个弹性体中间设置有第三通孔210，用于弹性体的安装限位；所述第二探头4由探头支架401和线圈402组成，所述探头支架401为柱状结构，外侧圆周上设置有外螺纹411，开有四个均布的缺口413，内部中空，中间位置设置有圆柱414，端部设置有直槽412，便于探头旋拧；所述线圈402为中空圆柱414结构，中心设置有第四通孔421，其内径大小与探头支架401的内部圆柱414外径一致；所述第一探头3、第三探头5和第四探头6处参数外结构与第二探头4相同。

本实施例中，外壳1与弹性体2通过冷压过盈配合连接在一起，外壳1上的四个第一过孔与弹性体2上的四个第一通孔203一一对应；所述第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6分别通过其上的外螺纹411与弹性体2上的内螺纹208螺纹连接。其中，弹性体2材料为不锈钢，探头支架401材料为塑料，线圈402由铜丝绕成。

第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6应旋拧至距离检测板202下表面0.5mm位置，探头距检测面距离设定是必要的，一般在电感线圈402线性量程内且在弹性体弹性变形范围外，否则邻近弹性体变形极限时会损坏电感线圈402；内螺纹208对应位置应正对沉槽206的一侧槽边。沉槽206与内螺纹208槽孔位置如图5所示，每个方向的沉槽206均在各轴的同一侧。探头放置的位置到瓶颈状支柱209的中心距离是必要的，随距离的增大传感器测力/力矩量程减小但灵敏度增大。

第一凸台201内径应大于瓶颈状支柱209的最大外径，随着这两个尺寸差值的增大，传感器测力量程减小而灵敏度增大；第一凸台201上的螺钉孔212的位置方向与内螺纹208的位置方向对应一致；第一凸台201上的螺钉孔212在内螺纹208的内侧，适合承受较大负载，是一种大量程盘式六维力传感器的实施方式。

当存在力加载时，弹性体2产生变形，涡流磁场的变化导致通过电感线圈402的磁通量改变，从而使得线圈402两端的电压产生变化，然后通过一般的采集电路采集线圈402两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，通过不同电感线圈402的电压变化情况即可判断出弹性体2的变形量和变形方向，即可判定力加载大小和方向。

本传感器的工作原理如下：传感器使用时,先给探头供电, 基于电涡流效应,弹性体2的检测面存在稳定的涡流磁场,然后检测到力的存在时,会导致弹性体2产生前后左右等某一方向的倾斜或位移, 从而导致探头激发的涡流磁场发生变化,布置在圆周的探头各自的阻抗会产生变化, 然后影响到探头各自的阻抗会产生变化,然后通过测试探头两端电压可以得到力——电压特性曲线，其线性度最优段即为六维力传感器有效量程区间。

实施例2：一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器。

与实施例1不同之处在于，如图6所示，一条轴线上的两个沉槽206位置均在该轴线的一侧，另一条轴线上的两个沉槽206位置成180°中心对称分布。

实施例3：一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器。

与实施例1不同之处在于，如图7所示，第一凸台201还可以设置在内螺纹208的外侧，本实施例的优点在于其检测灵敏度高，适用于小量程、小负载的测量；理论上在该结构型式下第一凸台201的内径越大，内螺纹208所在的分度圆直径越大，其对于微小负载的分辨率越高。

实施例4：一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器。

与实施例2不同之处在于，如图8所示，第一凸台201还可以设置在内螺纹208的外侧，本实施例的优点在于其检测灵敏度高，适用于小量程、小负载的测量；理论上在该结构型式下第一凸台201的内径越大，内螺纹208所在的分度圆直径越大，其对于微小负载的分辨率越高。

实施例5：一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测方法。

一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测方法，使用如实施例1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体2产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈402激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体2的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈402两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。

在检测过程中通过第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6的检测反馈数据判断力的方向。具体为：若第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6反馈距离同时增大（减小），且变化量相同，则力方向为Z方向；若第一探头3和第二探头4反馈距离减小（增加），第三探头5和第四探头6反馈距离增大（减小），且变化量相同，则力方向为绕Z方向转矩；若第一探头3反馈距离增大（减小），第三探头5反馈距离减小（增大），第二探头4和第四探头6反馈距离同时减小（增大），则力方向为X方向；若第二探头4反馈距离增大（减小），第四探头6反馈距离减小（增大），且变化量相同，同时第一探头3和第三探头5反馈距离不变或同时略微增大（减小）且变化量一致，则力方向为绕X方向转矩；同样的，若第二探头4反馈距离增大（减小），第四探头6反馈距离减小（增大），第一探头3和第三探头5反馈距离同时增大（减小），则力方向为Y方向；若第一探头3反馈距离增大（减小），第三探头5反馈距离减小（增大），且变化量相同，同时第二探头4和第四探头6反馈距离不变或同时略微减小（增大）且变化量一致，则力方向为绕Y方向转矩。

实施例6：一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测方法。

与实施例5不同之处在于，使用如实施例2所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体2产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈402激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体2的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈402两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。

在检测过程中通过第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6的检测反馈数据判断力的方向。具体为：若第一探头3、第二探头4、第三探头5和第四探头6反馈距离同时增大（减小），且变化量相同，则力方向为Z方向；若仅第三探头5反馈距离增大（减小），第一探头3、第二探头4和第四探头6反馈距离减小（增大），且变化量相同，则力方向为绕Z方向转矩；若第一探头3反馈距离增大（减小）或不变，第三探头5反馈距离减小（增大）或不变，第二探头4反馈距离减小（增大），第四探头6反馈距离增大（减小），则力方向为X方向；若第二探头4反馈距离增大（减小），第四探头6反馈距离减小（增大），且变化量相同，同时第一探头3和第三探头5反馈距离不变或同时略微增大（减小）且变化量一致，则力方向为绕X方向转矩；同样的，若第二探头4反馈距离增大（减小））或不变，第四探头6反馈距离减小（增大）或不变，第一探头3和第三探头5反馈距离同时增大（减小），则力方向为Y方向；若第一探头3反馈距离增大（减小），第三探头5反馈距离减小（增大），且变化量相同，同时第二探头4反馈距离不变或略微减小（增大），第四探头6反馈距离不变或略微增大（减小），则力方向为绕Y方向转矩。

实施例7：一种智能设备。

一种智能设备，包括传感器，所述传感器具体为如实施例1-4任一项所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (17)

1.一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于，包括外壳、弹性体、第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，所述弹性体设置于外壳内部，所述弹性体包括有底板、检测板和第一凸台，所述底板与所述检测板之间设置有支柱且检测板位于底板上方，所述第一凸台设置于检测板上方，所述检测板下表面上设置有沉槽，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头分别均布在所述底板上且不与所述检测板接触，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头可以通过电流激发涡流磁场变化进而感应出弹性体的变形量和变形方向。

2.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述外壳为空心圆柱结构，所述外壳顶面设置有均布的四个第一过孔，所述外壳中心设置有第二过孔，所述第二过孔半径大于第一过孔半径。

3.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述第一凸台为环形凸台结构，所述第一凸台上设置有四个均布的螺钉孔。

4.如权利要求2所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于： 所述检测板为薄壁板式结构，所述检测板上设置有四个均布的第一通孔，所述第一通孔与所述第一过孔位置对应。

5.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述支柱具体为瓶颈状结构，且为圆弧过渡结构，且所述第一凸台内径大于所述支柱的最大外径。

6.如权利要求4所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述底板上设置有四个均布的第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔位置对应。

7.如权利要求6所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述底板上设置有四个均布的第二凸台，所述第二凸台与所述第二通孔相隔45°设置，所述第二凸台上均设置有内螺纹，所述内螺纹位置正对沉槽的一侧槽边。

8.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述底板外侧设置有凸缘，所述底板底部设置有凹槽。

9.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述弹性体中间设置有第三通孔。

10.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述第一探头包括探头支架和线圈，所述线圈设置在探头支架内，所述探头支架具体为柱状结构，所述探头支架外侧圆周上设置有外螺纹，所述探头支架外侧还开有四个局部的缺口，所述探头支架端部设置有直槽。

11.如权利要求10所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述探头支架内部中空，所述探头支架内部中心位置设置有圆柱。

12.如权利要求11所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述线圈具体为中空圆柱结构，所述线圈中心设置有第四通孔，所述第四通孔内径大小与所述圆柱外径一致。

13.如权利要求12所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述第二探头、第三探头和第四探头结构与所述第一第一探头致。

14.如权利要求1所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力传感器，其特征在于：所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头均设置在距离检测板下表面0.3-1mm位置。

15.一种基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-14任一项所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。

16.如权利要求15所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测方法，其特征在于，在检测过程中通过第一探头、第二探头、第三探头和第四探头的检测反馈数据判断力的方向。

17.一种智能设备，包括传感器，其特征在于，所述传感器具体为如权利要求1-14任一项所述的基于电涡流效应的扁平盘式六维力检测传感器。

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