CN111272328B - 一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，包括“卍”字梁、垂直梁、矩形外框和应变片；“卍”字梁包括十字横梁和四根矩形横梁；十字横梁的中心设置有施力孔，用于力和力矩的施加；十字横梁的四个末端各连接一根矩形横梁，形成“卍”字结构；垂直梁的顶端与对应矩形横梁的末端相连，垂直梁的底端均与矩形外框相连；应变片有若干片，形成六组惠斯通电桥，分别用于X向力、Y向力、Z向力、X向力矩、Y向力矩、Z向力矩的测量。其中，测力的所有应变片均粘贴在十字横梁上，测量X向和Y向力矩的所有应变片均粘贴在四根矩形横梁上，测量Z向力矩的应变片均粘贴在四根垂直梁上。本发明能在保证高灵敏度的同时，结构简单、维间耦合低。

Description

一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器
技术领域
本发明涉及一种力传感器，特别是一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器。
背景技术
六维力传感器可测量空间坐标系中三个维度的力分量Fx,Fy,Fz和三个维度的力矩分量Mx,My,Mz，在智能机器人、航空航天、化工、汽车及医疗等领域具有广泛的应用需求。其中，基于电阻应变原理的六维力传感器目前应用最为广泛。传感器受力产生应变，通过应变片将其转化为电压变化，从而实现力/力矩的测量。
由于六维力传感器需要敏感六个维度的力/力矩，因此传感器的结构直接影响着测量的灵敏度和精度。六维力传感器的结构主要分为竖梁式和横梁式两种。
典型的竖梁结构有Draper实验室和SRI研制的六维力传感器。前者采用整体成形，结构简单，但维间耦合很大；后者由窄而长的8根竖梁组成，维间耦合很小，但加工难度较大，加工过程容易引入误差。由于竖梁结构在体积、加工精度和维间耦合方面存在矛盾，因此现有六维力传感器普遍采用横梁结构。
横梁结构需解决的问题主要是减小维间耦合干扰。发明专利CN208704939U提出了一种低维间耦合的六维力传感器，但其结构未能实现力和力矩间的完全解耦；中国专利CN106644233A和中国专利CN107131983A提出的六维力传感器均有效降低了维间耦合，但前者采用筒状结构和十字梁结构结合，灵敏度较低，后者采用双层十字梁结构，加工及贴片难度较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，该高灵敏度低维间耦合的六维力传感器在保证高灵敏度的同时，具有结构简单、维间耦合低等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，包括“卍”字梁、垂直梁、矩形外框和应变片。
“卍”字梁包括十字横梁和四根矩形横梁。十字横梁的中心设置有施力孔，用于力和力矩的施加。以构成十字横梁的两根横梁所在直线作为X向和Y向，则垂直于十字横梁的方向为Z向。十字横梁的四个末端各连接一根所述矩形横梁，形成“卍”字结构。
垂直梁为四根，均沿Z向布设，垂直梁的顶端与对应矩形横梁的末端相连，垂直梁的底端均与矩形外框相连。
应变片有若干片，形成六组惠斯通电桥，分别用于X向力、Y向力、Z向力、X向力矩、Y向力矩、Z向力矩的测量，且依次标记为Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥、Fz惠斯通电桥、Mx惠斯通电桥、My惠斯通电桥和Mz惠斯通电桥。
其中，构成Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥和Fz惠斯通电桥的所有应变片均粘贴在十字横梁上，构成Mx惠斯通电桥和My惠斯通电桥的所有应变片均粘贴在四根矩形横梁上，构成Mz惠斯通电桥的应变片均粘贴在四根垂直梁上。
十字横梁、矩形横梁和矩形外框的纵截面以及垂直梁的横截面均为正方形。
矩形外框为内部开设有矩形槽的框架，垂直梁的底端分别连接在矩形外框的四条边上。矩形外框的四个角均设有与外壳相连的固定孔。
构成Fx惠斯通电桥的应变片分别为R1、R2、R3和R4。假设构成十字横梁的两根横梁分别为X向横梁和Y向横梁，则应变片R1、R2粘贴在Y向横梁正方向的左右侧壁，应变片R3、R4粘贴在Y向横梁负方向的左右侧壁。
构成Fy惠斯通电桥的应变片分别为R5、R6、R7和R8。应变片R5、R6粘贴在X向横梁正方向的左右侧壁，应变片R7、R8粘贴在X向横梁负方向的左右侧壁。
构成Fz惠斯通电桥的应变片分别为R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16。8个应变片对称粘贴在十字横梁中四个方向梁的上下表面。
构成Mx惠斯通电桥的应变片分别为R17、R18、R19和R20。其中，R17、R18粘贴在与Y向横梁正方向相连的矩形横梁的上下表面，应变片R19、R20粘贴在Y向横梁负方向相连的矩形横梁的上下表面。
构成My惠斯通电桥的应变片分别为R21、R22、R23和R24。其中，R21、R22粘贴在与X向横梁负方向相连的矩形横梁的上下表面，应变片R23、R24粘贴在X向横梁正方向相连的矩形横梁的上下表面。
构成Mz惠斯通电桥的应变片分别为R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31和R32。8个应变片两两一组，粘贴在四根垂直梁的对称壁面上。
本发明具有如下有益效果：
1、基于电阻应变原理，所有敏感部位均采用矩形梁结构，无刚性的筒状结构，形变量大，应变片电阻变化大，故而测量灵敏度高。
2、通过采用“卍”字梁与垂直梁相结合的结构设计，将测量力和力矩的应变片设计在不同的梁上，有效减小了力和力矩之间的维间耦合干扰，测量精度高。
3、整体结构简单，易于加工，且应变片粘贴容易。
附图说明
图1显示了本发明一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器的整体结构示意图。
图2显示了本发明的应变片贴片位置示意图1。
图3显示了本发明的应变片贴片位置示意图2。
图4显示了本发明中六组惠斯通电桥的电路示意图。其中，图4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6分别显示了Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥、Fz惠斯通电桥、Mx惠斯通电桥、My惠斯通电桥和Mz惠斯通电桥的示意图。
其中有：
1.矩形外框；2.施力孔；3.垂直梁；4.矩形横梁；5.十字横梁；6.固定孔；7.应变片。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，包括“卍”字梁、垂直梁3、矩形外框1和应变片7。
“卍”字梁包括十字横梁5和四根矩形横梁4。十字横梁的中心优选设置有四个施力孔2，用于力和力矩的施加。
以构成十字横梁的两根横梁所在直线作为X向和Y向，则垂直于十字横梁的方向为Z向。另外，将构成十字横梁的两根横梁分别称为X向横梁和Y向横梁。
十字横梁的四个末端各连接一根矩形横梁，形成“卍”字结构。
垂直梁为四根，均沿Z向布设，垂直梁的顶端与对应矩形横梁的末端相连，垂直梁的底端均与矩形外框相连。
矩形外框为内部开设有矩形槽的框架，垂直梁的底端分别连接在矩形外框的四条边上。矩形外框的四个角均设有固定孔6，传感器通过固定孔6固定在外壳上。
十字横梁、矩形横梁和矩形外框的纵截面以及垂直梁的横截面均优选为正方形。
应变片有若干片，本实例中，优选共有32个应变片，对应编号分别为R1至R32。所有应变片，除编号外，完全相同,即具有相同的初始阻值,在收缩时阻值减小,在延展时阻值增大。
上述32个应变片，形成六组惠斯通电桥，分别用于X向力、Y向力、Z向力、X向力矩、Y向力矩、Z向力矩的测量，且依次标记为Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥、Fz惠斯通电桥、Mx惠斯通电桥、My惠斯通电桥和Mz惠斯通电桥。
构成Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥和Fz惠斯通电桥的所有应变片均粘贴在十字横梁上，构成Mx惠斯通电桥和My惠斯通电桥的所有应变片均粘贴在四根矩形横梁上，构成Mz惠斯通电桥的应变片均粘贴在四根垂直梁上。进一步，应变片优选粘贴于对应各个梁受力时应变最大的位置，应变最大的位置通过有限元仿真求得。
如图2所示，构成Fx惠斯通电桥的应变片分别为R1、R2、R3和R4。其中，应变片R1、R2粘贴在Y向横梁正方向的左右侧壁，且关于Y轴对称，应变片R3、R4粘贴在Y向横梁负方向的左右侧壁。其中，R1和R2组、R3和R4组分别关于X轴对称。
构成Fy惠斯通电桥的应变片分别为R5、R6、R7和R8。应变片R5、R6粘贴在X向横梁正方向的左右侧壁，且关于X轴对称，应变片R7、R8粘贴在X向横梁负方向的左右侧壁。其中，R5和R6组、R7和R8组分别关于Y轴对称。
构成Fz惠斯通电桥的应变片分别为R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16。8个应变片对称粘贴在十字横梁中四个方向梁的上下表面，分别关于X轴或Y轴对称。
构成Mx惠斯通电桥的应变片分别为R17、R18、R19和R20。其中，R17、R18粘贴在与Y向横梁正方向相连的矩形横梁的上下表面，应变片R19、R20粘贴在Y向横梁负方向相连的矩形横梁的上下表面，R17和R18与R19和R20的粘贴位置为中心对称。
构成My惠斯通电桥的应变片分别为R21、R22、R23和R24。其中，R21、R22粘贴在与X向横梁负方向相连的矩形横梁的上下表面，应变片R23、R24粘贴在X向横梁正方向相连的矩形横梁的上下表面，R21和R22与R23和R24的粘贴位置为中心对称。
如图3所示，构成Mz惠斯通电桥的应变片分别为R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31和R32。8个应变片两两一组，粘贴在四根垂直梁的对称壁面上。
如图4所示，6个通道的应变片组成的6组惠斯通电桥。应变片R1、R2、R3、R4组成测量X方向作用力Fx的惠斯通电桥；应变片R5、R6、R7、R8组成测量Y方向作用力Fy的惠斯通电桥；应变片R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16组成测量Z方向作用力Fz的惠斯通电桥；应变片R17、R18、R19、R20组成测量X方向作用力矩Mx的惠斯通电桥；应变片R21、R22、R23、R24组成测量Y方向作用力矩My的惠斯通电桥；应变片R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32组成测量Z方向作用力矩Mz的惠斯通电桥。
六维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩通过施力孔2作用于十字横梁5的中心，使得传感器产生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，进而使得对应电桥的输出电压改变。与此同时，由于结构和电路设计，其余维度的输出电压并不会明显改变，有效降低了维间耦合干扰，从而提高了传感器的测量精度。因此，使用过程中，只需测量全部6个通道的电压变化量即可获得各个维度力/力矩的数值。
假设R0表示应变片的零位电阻值，
Figure GDA0002475264780000058
分别表示在Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用下应变片的阻值变化量，则各通道输出电压的变化量如下式：
Figure GDA0002475264780000051
Figure GDA0002475264780000052
Figure GDA0002475264780000053
Figure GDA0002475264780000054
Figure GDA0002475264780000055
Figure GDA0002475264780000056
上式中，
Figure GDA0002475264780000057
分别表示在Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用下对应通道输出的电压变化量，另外E表示图4所示的供电电压。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：包括“卍”字梁、垂直梁、矩形外框和应变片；
“卍”字梁包括十字横梁和四根矩形横梁；十字横梁的中心设置有施力孔，用于力和力矩的施加；以构成十字横梁的两根横梁所在直线作为X向和Y向，则垂直于十字横梁的方向为Z向；十字横梁的四个末端各连接一根所述矩形横梁，形成“卍”字结构；
垂直梁为四根，均沿Z向布设，垂直梁的顶端与对应矩形横梁的末端相连，垂直梁的底端均与矩形外框相连；
应变片有若干片，形成六组惠斯通电桥，分别用于X向力、Y向力、Z向力、X向力矩、Y向力矩、Z向力矩的测量，且依次标记为Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥、Fz惠斯通电桥、Mx惠斯通电桥、My惠斯通电桥和Mz惠斯通电桥；
其中，构成Fx惠斯通电桥、Fy惠斯通电桥和Fz惠斯通电桥的所有应变片均粘贴在十字横梁上，构成Mx惠斯通电桥和My惠斯通电桥的所有应变片均粘贴在四根矩形横梁上，构成Mz惠斯通电桥的应变片均粘贴在四根垂直梁上。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：十字横梁、矩形横梁和矩形外框的纵截面以及垂直梁的横截面均为正方形。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：矩形外框为内部开设有矩形槽的框架，垂直梁的底端分别连接在矩形外框的四条边上；矩形外框的四个角均设有与外壳相连的固定孔。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：构成Fx惠斯通电桥的应变片分别为R1、R2、R3和R4；假设构成十字横梁的两根横梁分别为X向横梁和Y向横梁，则应变片R1、R2粘贴在Y向横梁正方向的左右侧壁，应变片R3、R4粘贴在Y向横梁负方向的左右侧壁。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：构成Fy惠斯通电桥的应变片分别为R5、R6、R7和R8；应变片R5、R6粘贴在X向横梁正方向的左右侧壁，应变片R7、R8粘贴在X向横梁负方向的左右侧壁。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：构成Fz惠斯通电桥的应变片分别为R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16；8个应变片对称粘贴在十字横梁中四个方向梁的上下表面。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：构成Mx惠斯通电桥的应变片分别为R17、R18、R19和R20；其中，R17、R18粘贴在与Y向横梁正方向相连的矩形横梁的上下表面，应变片R19、R20粘贴在Y向横梁负方向相连的矩形横梁的上下表面。
8.根据权利要求7所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：构成My惠斯通电桥的应变片分别为R21、R22、R23和R24；其中，R21、R22粘贴在与X向横梁负方向相连的矩形横梁的上下表面，应变片R23、R24粘贴在X向横梁正方向相连的矩形横梁的上下表面。
9.根据权利要求8所述的高灵敏度低维间耦合的六维力传感器，其特征在于：构成Mz惠斯通电桥的应变片分别为R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31和R32；8个应变片两两一组，粘贴在四根垂直梁的对称壁面上。
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