CN111998982B - 一种六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种六维力传感器，包括：外壳、底座和传感器主体,所述传感器主体包括动平台、支撑体以及多组应力杆组；所述多组应力杆组两两一组，每组所述应力杆组包括第一应力杆与第二应力杆，所述第一应力杆与所述第二应力杆所在的平面可围合形成一正多面体结构；所述第一应力杆与所述第二应力杆按照圆周阵列方式设置在所述支撑体的外侧边；所述第一应力杆与所述第二应力杆设置在所述支撑体和所述动平台之间，且所述第一应力杆与所述第二应力杆相互之间呈一定角度设置。本申请提出的多组应力杆组周向旋转对称布置的新布局方式，降低了传感器在力/力矩测量感知过程中因为结构带来的耦合度误差，从而提高了测量的稳定性和精度。

Description

一种六维力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种六维力传感器。

背景技术

多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中，力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。

在现有技术中，最为常见的六维力/力矩传感器主要采用梁式结构，而梁式结构又可分为竖梁结构和横梁结构。造成耦合度高的主要问题，通常是指在一个方向施加作用力，其它不受力的方向也会产生力信号，这就是耦合带来的误差，目前主要通过标定的方式来消除该误差。十字梁结构轴向对称性好，强度较高，但是在消除耦合误差方面表现一般。竖梁结构都朝一侧布置，在一个方向施加作用力对结构变形产生的误差无法抵消，造成测量力/力矩随耦合误差变化较大。

发明内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请提出了一种六维力传感器，通过采用应力杆组周向旋转对称布置的新布局方式，降低传感器在力/力矩测量感知过程中因为结构带来的耦合度误差等。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案实现：

本申请提出了一种六维力传感器，包括：外壳和底座，还包括：

传感器主体,所述传感器主体包括动平台、支撑体以及多组应力杆组；

所述支撑体设置在所述动平台内且所述支撑体通过多组应力杆组与所述动平台活动连接，每组所述应力杆组包括第一应力杆与第二应力杆；

所述第一应力杆与所述第二应力杆设置在所述支撑体和所述动平台之间，且所述第一应力杆与所述第二应力杆相互之间呈一定角度设置；

所述第一应力杆与所述第二应力杆所在的平面可围合形成一正多面体结构，采用多面体上下、轴向对称的设计，可以有效的解决温漂的问题；所述多组应力杆组两两一组并按照圆周阵列方式设置在所述支撑体的外侧边；该应力杆组布局使得各应力杆只受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，各向同性较好，可有效降低力/力矩测量中维间耦合，提高传感器测量精度；

所述支撑体与所述底座连接，所述动平台与所述外壳连接。

进一步地，所述第一应力杆/所述第二应力杆沿周向均匀布设，以便于每组应力杆组与其呈180°旋转对称布置的应力杆组能够相互抑制各自内部应力的产生。

进一步地，所述第一应力杆与所述第二应力杆相对所述支撑体侧边为中心对称设置，该应力杆组布局使得各应力杆只受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，各向同性较好，可有效降低力/力矩测量中维间耦合，提高传感器测量精度。

进一步地，所述第一应力杆与所述第二应力杆倾斜设置在所述支撑体的侧边，且所述第一应力杆与所述第二应力杆相向设置。

进一步地，所述第一应力杆和所述第二应力杆共面或者异面布置。

进一步地，所述支撑体设置成正多边形，所述支撑体所形成的正多边形的边数与设置在其外侧边的应力杆组的数量均相同。

进一步地，还包括多个柔性球铰，所述第一应力杆的两端分别通过所述柔性球铰与所述动平台、所述支撑体活动连接，所述第二应力杆的两端分别通过所述柔性球铰与所述动平台、所述支撑体活动连接，采用柔性球铰可以减小六维力传感器的整体尺寸，提高六维力传感器的适用性。

进一步地，所述第一应力杆/第二应力杆的至少一个侧边贴有至少一个应变片。

进一步地，还包括第一螺钉，所述动平台上设有第二定位孔，所述外壳上设有固定孔，所述第一螺钉穿过所述第二定位孔和所述固定孔将所述动平台和所述外壳连接在一起，有助于将六维力传感器的内部结构封闭起来，从而减少外界因素对测量结果的扰动，提高了测量准确性。

进一步地，还包括第二螺钉，所述支撑体上设有通孔，所述底座上设有第一定位孔，所述第二螺钉穿过所述通孔和所述第一定位孔将所述支撑体和所述底座连接在一起，有助于更好地提高六维力传感器的稳定性。

进一步地，所述支撑体、所述多组应力杆组以及所述动平台为一体成型结构，上述一体成型结构除便于批量化生产外，还便于有效消除传感器的装配应力和装配间隙。

综上所述，本申请的技术方案具有如下技术效果：

（1）本申请通过周向旋转对称多个应力杆组，在仅受外界温度影响时，每组应力杆组能与其呈180°周向对称布置的另一应力杆组相互抑制各自内部产生的传感器径向应力，第一应力杆与第二应力杆能够相互抑制各自内部产生的传感器轴向应力，降低了因为温度造成的温漂误差，降低了传感器在力/力矩测量感知过程中因为结构带来的耦合度误差等，在传感器长时间使用中起到了非常重要的作用。

（2）本申请采用柔性球铰代替真实球铰，可有效消除传感器的装配应力和装配间隙，使得多个应力杆组只承受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，维间耦合较小。

（3）本申请采用的应变片具有自补偿功能，不需要额外设置其他补偿片，自身就能抑制应变温度漂移的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请六维力传感器的爆炸结构示意图；

图2是本申请六维力传感器的传感器主体俯视图；

图3是本申请六维力传感器的传感器主体剖面示意图；

图4是本申请六维力传感器的传感器主体立体图；

图5是本申请六维力传感器的连接配合示意图；

图6是本申请六维力传感器的支撑体与应力杆组结构示意图；

图7是本申请应力杆组平面形成虚拟正多面体结构示意图；

图中：外壳-1、固定座-11、固定孔-12、动平台-21、支撑体-22、第一应力杆-23、第二应力杆-24、通孔-25、第二定位孔-26、柔性球铰-27、底座-3、第一定位孔-31。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术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，都属于本申请保护的范围。

如图1-图6所示，本申请提出了一种六维力传感器，包括:外壳1和底座3，还包括：

传感器主体，所述传感器主体包括：动平台21、支撑体22和多组应力杆组，所述多组应力杆两两一组，圆周阵列设置在支撑体外侧边；每组应力杆包括第一应力杆23与第二应力杆24，且所述第一应力杆23与第二应力杆24相互之间呈一定角度设置。该应力杆组布局使得各应力杆只受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，各向同性较好，可有效降低力/力矩测量中维间耦合，提高传感器测量精度。

在本实施例中，所述第一应力杆23与所述第二应力杆24所在的平面可围合形成一正多面体结构，采用多面体上下、轴向对称的设计，可以有效的解决温漂的问题，所述正多面体可以是正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。

下面以第一应力杆23与所述第二应力杆24所在的平面可围合形成一正八面体结构为例进行解释说明。其中，如图7所示，所述正八面体见图中虚线所示。

当所述应力杆组的设置数量为4组时，那么对应设置的所述第一应力杆23和所述第二应力杆24的设置数量均为8根，其中，对应设置的第一应力杆23和第二应力杆24可分别设置在平面OAB和O’A’B’，所述的平面OAB和O’A’B’两个平面沿动平台21所在的平面对称设置。

优选地的方式为：所述第一应力杆23与斜边OA重合，所述第二应力杆24与斜边O’A’重合，或者，所述第一应力杆23与斜边OB重合，所述第二应力杆24与斜边O’B’重合；即，此时，本实施例所配置的4个第一应力杆23和4个第二应力杆24分别与正八面体的斜边重合。

本申请的另一实施方式可以是：所述第一应力杆23与平面OAB上的线OC重合，其中，OC可以为平面OAB上的穿过顶点的任一条线段；那么对应地，所述第二应力杆24与平面O’A’B’上的线O’C’重合。

在本实施例中，由于第一应力杆23与第二应力杆24设置在支撑体22的边上，因此为了进一步使得六维力传感器的结构对称，所述支撑体22可以设置成正多边形，所述支撑体22所形成的正多边形的边数与设置在其外侧边的第一应力杆23和所述第二应力杆24组成的应力杆组的数量均相同，从而使得第一应力杆23、第二应力杆24以及支撑体22所组成的整体关于支撑体22所在平面旋转对称，进而能够有效抑制温漂，有效降低力/力矩测量中维间耦合，提高传感器测量精度。

举例来说，参见图2和图6所示，所述第一应力杆23与所述第二应力杆24可以各设置有4个，由于所述支撑体22为正四边形，因此还可以方便地将4个第一应力杆23和4个第二应力杆24设置在正四边形的边上。其中，本实施例仅仅示意了上述支撑体22为正四边形的情况，在实际应用过程中，还可以根据需要将所述支撑体22设置为正五边形，正六边形，正八边形等，上述具体设置边数的公开并不对本申请的保护范围进行限定。

其中，为了可以使得各应力杆只受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，各向同性较好，可有效降低力/力矩测量中维间耦合，提高传感器测量精度，本实施例中，参见图3和图4所示，每组应力杆组由第一应力杆23与第二应力杆24相互之间呈一定角度组成，每组应力杆共面布置。

优选地，第一应力杆23与第二应力杆24呈现所述倾斜角度为0-90°之间，具体地该倾斜角度可以是30°、45°、60°或75°等，第一应力杆23和第二应力杆24组成的应力杆组沿圆周对称均匀阵列分布，以便于每组应力杆组与其呈180°旋转对称布置的应力杆组能够相互抑制各自内部应力的产生，当第一应力杆23与第二应力杆24关于支撑体22旋转对称设置时，本实施例六维力传感器仅受外界温度影响时，第一应力杆23与第二应力杆24能够相互抑制各自内部应力的产生，使六维力传感器具有零温漂，同时降低了传感器在力/力矩测量感知过程中因为结构带来的耦合度误差等。

上述的第一应力杆23与第二应力杆24相互之间呈一定角度设置，且上述第一应力杆23与第二应力杆24还可按照异面布置，在本实施例六维力传感器仅受外界温度影响时，第一应力杆4与第二应力杆5能够相互抑制各自内部应力的产生，使六维力传感器具有零温漂，同时降低了传感器在力/力矩测量感知过程中因为结构带来的耦合度误差等。

进一步地，在本实施例中，所述底座3一端与所述传感器主体中的支撑体22连接，具体使用时，所述六维力传感器外部设备可安装在所述底座3的另一端。

进一步地，在本实施例中，所述外壳1一端与所述传感器主体中的动平台21连接，具体使用时，所述六维力传感器外部设备可安装在所述外壳1的另一端。

本实施例中将所述支撑体22、所述多组应力杆以及所述动平台21加工成一体成型结构，上述一体成型结构的设计除了便于批量化生产外，还可用于有效消除传感器的装配应力和装配间隙。

进一步地，在本实施例中，所述第一应力杆23倾斜设置在支撑体22的外侧边，所述第二应力杆24倾斜设置在支撑体22的外侧边，所述第一应力杆23与所述第二应力杆22相对所述支撑体22侧边为中心对称设置在支撑体22的外侧边，以便于每组应力杆与其呈180°旋转对称布置的应力杆组能够相互抑制各自内部应力的产生。

采用真实球铰的装配式传感器无法消除传感器内部的装配间隙及装配应力。因此，在本实施例中，所述六维力传感器采用柔性球铰27代替真实球铰，如参见图4所示，所述六维力传感器还包括多个柔性球铰27，所述第一应力杆23的两端分别通过所述柔性球铰27与所述动平台21、所述支撑体22连接，所述第二应力杆24的两端分别通过所述柔性球铰27与所述动平台21、所述支撑体22连接，采用真实球铰的装配式传感器无法消除传感器内部的装配间隙及装配应力，因此采用柔性球铰可以减小六维力传感器的整体尺寸，提高六维力传感器的适用性，同时采用柔性球铰27可以在六维力传感器工作过程中动平台21发生形变时减振缓冲等，从而减少设备之间硬件的直接碰撞等。

进一步地，在本实施例中，如参见图5所示，所述外壳1和底座3可形成一个容纳腔体，所述传感器主体则安装在容纳腔体内.

本实施例还配置有第一螺钉28，通过上述第一螺钉28将所述动平台21和所述外壳1连接在一起。具体地，所述动平台21上设有第二定位孔26，所述外壳1上设有固定孔12，所述第一螺钉28穿过所述第二定位孔26和所述固定孔12将所述动平台21和所述外壳1连接在一起，上述设置方式有助于将六维力传感器的内部结构封闭起来，从而减少外界因素对测量结果的扰动，提高了测量的准确性。

进一步地，本实施例还配置有第二螺钉29，通过上述第二螺钉29将所述支撑体22和所述底座3连接在一起。具体地，所述支撑体22上设有通孔25，所述底座3上设有第一定位孔31，所述第二螺钉29穿过所述通孔25和所述第一定位孔31将所述支撑体22和所述底座3连接在一起，上述设置方式有助于更好的提高六维力传感器的稳定性，从而减少外界因素对测量结果的扰动，提高了测量的准确性。

优选地，所述外壳1的内部还设置有固定座11，所述固定座11上设置固定孔12，通过上述第一螺钉28将所述动平台21与所述固定座11固定连接，进一步地，所述动平台21通过第二定位孔26进行定位并配合上述第一螺钉28固定安装在固定座11上的固定孔12上，这种安装有助于将六维力传感器的内部结构封闭起来，从而减少外界因素对测量结果的扰动，提高了测量的准确性。

值得一提地是，所述第一应力杆23、第二应力杆24的至少一个侧边均贴有至少一个应变片，作为选择，应变片为可以是：光学应变片、电阻应变片、半导体应变片和金属应变片。优选地，本申请采用金属应变片，当温度变化时，不同金属的膨胀系数不同，膨胀的长度也不同，金属应变片就会发生弯曲，触发控制电路，外力使得金属变形从而改变内阻使输出的参数进行变化，这种应变片工作时变形量偏大，线性度好，对低密度物体进行测量比较准确。

其中，所述第一应力杆23、第二应力杆24的横截面可以为平行四边形，以方便贴应变片。优选地，应变片可以贴在第一应力杆23、第二应力杆24的正面中部。

本申请通过周向旋转对称以及上下对称的多个应力杆结构，在仅受外界温度影响时，每组应力杆组能与180°周向对称布置的应力杆组相互抑制各自内部产生的传感器径向应力，第一应力杆与第二应力杆能够相互抑制各自内部产生的传感器轴向应力，降低了因为温度造成的温漂误差，降低了传感器在力/力矩测量感知过程中因为结构带来的耦合度误差等，在传感器长时间使用中起到了非常重要。

本申请采用柔性球铰代替真实球铰，可有效消除传感器的装配应力和装配间隙，使得多个应力杆只承受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，维间耦合较小。

本申请采用的应变片具有自补偿功能，不需要额外设置补偿片，自身就能抑制应变温度漂移的功能。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本申请公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种六维力传感器，包括：外壳和底座，其特征在于，还包括：

传感器主体,所述传感器主体包括动平台、支撑体以及多组应力杆组；

所述支撑体设置在所述动平台内且所述支撑体通过多组应力杆组与所述动平台活动连接，每组所述应力杆组包括第一应力杆与第二应力杆；所述第一应力杆与所述第二应力杆沿其圆周面错开设置；

所述第一应力杆与所述第二应力杆设置在所述支撑体和所述动平台之间，且所述第一应力杆与所述第二应力杆相互之间呈一定角度设置；

所述第一应力杆与所述第二应力杆所在的平面可围合形成一正多面体结构；所述多组应力杆组两两一组并按照圆周阵列方式设置在所述支撑体的外侧边；

所述支撑体与所述底座连接，所述动平台与所述外壳连接。

2.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述第一应力杆/所述第二应力杆沿周向均匀布设。

3.根据权利要求1或2所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述第一应力杆与所述第二应力杆相对所述支撑体侧边为中心对称设置。

4.根据权利要求3所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述第一应力杆与所述第二应力杆倾斜设置在所述支撑体的侧边，且所述第一应力杆与所述第二应力杆相向设置。

5.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述第一应力杆和所述第二应力杆共面或者异面布置。

6.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述支撑体为正多边形结构，所述正多边形的边数与设置在其外侧边的应力杆组的数量均相同。

7.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：还包括多个柔性球铰，所述第一应力杆的两端分别通过所述柔性球铰与所述动平台、所述支撑体活动连接，所述第二应力杆的两端分别通过所述柔性球铰与所述动平台、所述支撑体活动连接。

8.根据权利要求1或4所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述第一应力杆/第二应力杆的至少一个侧边贴有至少一个应变片。

9.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：还包括第一螺钉，所述动平台上设有第二定位孔，所述外壳上设有固定孔，所述第一螺钉穿过所述第二定位孔和所述固定孔将所述动平台和所述外壳连接在一起。

10.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：还包括第二螺钉，所述支撑体上设有通孔，所述底座上设有第一定位孔，所述第二螺钉穿过所述通孔和所述第一定位孔将所述支撑体和所述底座连接在一起。

11.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于：所述支撑体、所述多组应力杆组以及所述动平台为一体成型结构。

Images