CN114608739A - 多维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维力传感器，所述多维力传感器包括外部框架、内部平台和呈辐射状分布于所述外部框架和内部平台之间的若干弹性梁，所述弹性梁包括垂直交叉设置的弹性横梁和弹性纵梁，所述弹性横梁和弹性纵梁的两端分别连接外部框架和内部平台。本发明的有益效果是：多维力传感器解耦性好、灵敏度高、易于加工。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种用于测量力/力矩的多维力传感器。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，对机器人执行机构末端的力控需求也日益增多。多维力传感器能够检测空间中力和力矩的大小，能够满足机器人末端的力控需求，以丰富机器人能够执行的工作类型。现有技术中已经有三维力传感器、六维力传感器，但对于工业机器人领域的应用，对传感器的性能要求更高，例如要求体积小、灵敏度高、刚性好等。
申请号为CN201010577466的专利提供了一种采用双十字梁的传感器设计，减小了维间耦合，提高了传感器精度，但是传感器体积较大，不适合应用于工业机器人；申请号为CN201620008204的专利提供了一种结构更为紧凑的六维力传感器，整体体积小，高度低，但是具有量程小的特点。申请号为CN201910064852的专利提供了一种具有蛇形结构梁的力传感器，对传统十字梁进行改进设计，提高弹性体受力时的灵敏度，但当力传感器整体尺寸较小时，该蛇形结构梁间隙较小，难以加工制作。申请号为CN201910524444的专利提供了一种应用于工业现场的六维力传感器，采用传统的十字梁结设计，设置了限位结构，具有一定的扛过载能力，但传统十字梁刚度较大，传感器灵敏度较低，难以适用于机器人执行机构末端。
因此，有必要设计一种体积小、解耦性好、灵敏度好、结构简单、易于加工的多维力传感器。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种体积小、解耦性好、灵敏度好、结构简单、易于加工的多维力传感器。
本发明可采用如下技术方案：一种多维力传感器，包括外部框架、内部平台和呈辐射状分布于所述外部框架和内部平台之间的若干弹性梁，所述弹性梁包括垂直交叉设置的弹性横梁和弹性纵梁，所述弹性横梁和弹性纵梁的两端分别连接外部框架和内部平台。
进一步的，所述弹性梁具有十字形的横截面。
进一步的，所述弹性横梁包括位于所述弹性纵梁不同侧的开孔。
进一步的，所述弹性横梁的开孔相对于弹性纵梁对称设置。
进一步的，所述弹性横梁和弹性纵梁分别为板状梁，所述弹性横梁和弹性纵梁互相对称设置。
进一步的，所述板状梁包括大头端和小头端，所述板状梁从大头端至小头端逐渐缩小，所述大头端连接内部平台，所述小头端连接外部框架。
进一步的，所述弹性横梁和弹性纵梁均为矩形板状梁。
进一步的，所述弹性横梁和弹性纵梁至少其一为梯形板状梁。
进一步的，所述弹性梁的数量为四个，四个所述弹性梁沿平面呈十字分布形成十字梁。
进一步的，所述多维力传感器包括多个应变片，所述弹性横梁的上下表面对称设置应变片，所述弹性纵梁的左右表面对称设置应变片。
进一步的，所述多维力传感器为六维力传感器或三维力传感器。
进一步的，所述弹性纵梁的高度不超过所述内部平台的高度。
本发明还可采用如下技术方案：一种机器人，包括通过致动器驱动执行工作的工作臂，所述工作臂末端包括用于连接各种任务工具的连接器，所述连接器内设置上述任一项所述的多维力传感器。
进一步的，所述机器人为工业机器人，优选的，所述工业机器人为协作机器人。
与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果是：多维力传感器的弹性梁包括互相垂直交叉设置且分别连接内部平台和外部框架的弹性横梁和弹性纵梁，弹性梁连续性好，结构对称，易于加工，解耦性好，灵敏度较好。
附图说明
以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：
图1是本发明一实施例的多维力传感器的示意图
图2是图1所示实施例的多维力传感器沿B-B剖面线的剖面图
图3是本发明另一实施例的多维力传感器的示意图
图4是图3所示实施例的多维力传感器沿A-A剖面线的剖面图
图5是本发明又一实施例的多维力传感器的示意图
图6是图5所示实施例的多维力传感器的变形实施例
图7是本发明一实施例的多维力传感器的应变片位置示意图
图8是本发明一实施例的机器人的示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。本文中有关方位的描述，以所描述物体水平放置为参考角度。
本发明保护一种多维力传感器，图1-图7示出了本发明所保护的多维力传感器1的多个实施例，多维力传感器1包括外部框架10、内部平台20和呈辐射状分布于所述外部框架10和内部平台20之间的若干弹性梁30，所述弹性梁30包括垂直交叉设置的弹性横梁31和弹性纵梁32，所述弹性横梁31和弹性纵梁32的两端分别连接外部框架10和内部平台20。其中，在本发明的一个实施例中，参图1-图2，其中，图2是图1所示的多维力传感器沿B-B剖面线的剖面图，所述弹性横梁31平行于水平面设置，所述弹性纵梁32垂直于水平面设置，所述弹性横梁31和弹性纵梁31垂直交叉，所述弹性横梁31将弹性纵梁32分为竖直方向上的上下两部分，且所述上下两部分相对于弹性横梁31对称设置，所述弹性纵梁32将弹性横梁31分为水平方向上的左右两部分，且所述左右两部分相对于弹性纵梁32对称设置。通过设置交叉设置的弹性横梁31和弹性纵梁32，同时使得弹性横梁31和弹性纵梁32的两端分别连接外部框架10和内部平台20，所述弹性横梁31和弹性纵梁32连续设置连接内部平台20和外部框架10，中间无阻断，所述弹性梁30没有明显的突变，无应力集中，耐疲劳性好。同时，所述弹性横梁31和弹性纵梁32分别在水平方向和竖直方向延伸，弹性梁30包括中性轴，中性轴上的正应力值为0，弹性横梁31和弹性纵梁32交叉设置并各自在水平方向和竖直方向延伸，使得多维力传感器1的检测远离中性轴，检测灵敏度较好。
多维力传感器1包括弹性横梁31和弹性纵梁32，在本发明的一个实施例中，参图2，所述弹性梁30具有十字形的横截面。在本发明的另一实施例中，参图3，所述弹性横梁31包括位于弹性纵梁32不同侧的开孔，进一步的，所述弹性横梁31的开孔沿所述弹性纵梁32对称，通过设置开孔，能够增大多维力传感器1的应变，提高多维力传感器的灵敏度。进一步的，参图4，图4是图3所示实施例的多维力传感器沿A-A剖面线的剖面图，本实施例所提供的多维力传感器的弹性梁具有十字形的横截面。
多维力传感器1的弹性梁30包括弹性横梁31和弹性纵梁32，弹性横梁31平行于水平面设置，弹性纵梁32垂直于水平面设置，所述弹性横梁31和弹性纵梁32分别为板状梁，所述弹性横梁31和弹性纵梁32互相对称设置，对称结构使得多维力传感器1解耦性较好。进一步的，所述弹性梁30的数量为四个，四个所述弹性梁30沿水平面呈十字分布形成十字梁。即四个所述弹性梁30组成十字梁，每个所述弹性梁30的弹性横梁31和弹性纵梁32互相垂直，从而，所述多维力传感器1能够完全解耦。在一定范围内，随着弹性纵梁32高度的增加，多维力传感器的灵敏度较好，所述弹性纵梁32两端连接外部框架10和内部平台20，所述弹性纵梁32的高度不超过所述内部平台的高度，以使得所述多维力传感器1检测比较灵敏，同时体积较小。
在本发明的一个实施例中，参图5，所述弹性横梁31和弹性纵梁32分别形成为板状梁，所述板状梁包括大头端和小头端，所述板状梁从大头端至小头端逐渐缩小，所述大头端连接内部平台20，所述小头端连接外部框架10。所述板状梁大头端的尺寸大于所述小头端的尺寸。示例性的，所述板状梁为梯形板状梁，即所述梯形的下底面所在侧为大头端，所述梯形的上底面所在侧为小头端。此种结构的弹性梁30，使得多维力传感器1的应变增大，应变梯度平稳，同时能够增大应变片的贴片位置，便于贴片。具体的，所述弹性横梁31和弹性纵梁32可以包括结构相同的板状梁，或所述弹性横梁31和弹性纵梁32包括结构不同的板状梁，例如，如图5所示，所述弹性横梁31为梯形板状梁，所述弹性纵梁32为矩形板状梁，或者，所述弹性横梁31和弹性纵梁32均可为梯形板状梁。图6是图5的变形实施例，即所述弹性横梁31包括位于弹性纵梁32不同侧的开孔，具体的，所述开孔相对于弹性纵梁32对称设置，将开孔设置于弹性横梁上便于传感器对开孔的加工，同时，能够增大传感器的应变，提高检测灵敏度。
将多维力传感器1水平放置在平面上作为观察视角，此时，弹性梁30的弹性横梁平行于水平面设置，弹性梁的弹性纵梁垂直于水平面设置，所述多维力传感器包括多个应变片，所述弹性横梁31的左右表面可设置应变片33，所述弹性纵梁32的上下表面可设置应变片33，具体的，参图7，每一所述弹性横梁的上下表面对称设置应变片33，每一所述弹性纵梁32的左右表面对称设置应变片，多维力传感器1包括四个弹性梁30，弹性梁30的应变片组成惠斯通全桥电路。在本发明的一个实施例中，所述多维力传感器1包括24个应变片，所述多维力传感器1用于检测六维力信息，所述多维力传感器1为六维力传感器，弹性梁的应变片组成惠斯通全桥电路。在其他实施例中，通过调整应变片的数量和安装位置，所述多维力传感器可以是三维传感器等其他维度的传感器。
以上优选实施例的有益效果是：多维力传感器的弹性梁包括互相垂直交叉设置且分别连接内部平台和外部框架的弹性横梁和弹性纵梁，弹性梁连续性好，结构对称，易于加工，解耦性好，灵敏度较好。
本发明还用于提供一种机器人，参图8，所述机器人6包括通过致动器驱动以执行工作的工作臂60，所述工作臂60末端包括用于连接各种任务工具的连接器70，所述连接器内设置上文中任一项所述的多维力传感器。
具体的，所述连接器70为工具法兰，所述工具法兰可以连接各种任务工具，例如夹爪、吸盘等。具体的，所述机器人为工业机器人，优选的，所述机器人为能够与人协作执行工作的协作机器人，所述协作机器人能够通过人工教导以根据教导轨迹执行预定工作。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种多维力传感器，其特征在于，包括外部框架、内部平台和呈辐射状分布于所述外部框架和内部平台之间的若干弹性梁，所述弹性梁包括垂直交叉设置的弹性横梁和弹性纵梁，所述弹性横梁和弹性纵梁的两端分别连接外部框架和内部平台。
2.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述弹性梁具有十字形的横截面。
3.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述弹性横梁包括位于所述弹性纵梁不同侧的开孔。
4.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述弹性横梁和弹性纵梁分别为板状梁，所述弹性横梁和弹性纵梁互相对称设置。
5.根据权利要求4所述的多维力传感器，其特征在于，所述板状梁包括大头端和小头端，所述板状梁从大头端至小头端逐渐缩小，所述大头端连接内部平台，所述小头端连接外部框架。
6.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述弹性梁的数量为四个，四个所述弹性梁沿平面呈十字分布形成十字梁。
7.根据权利要求6所述的多维力传感器，其特征在于，所述多维力传感器包括多个应变片，所述弹性横梁的上下表面对称设置应变片，所述弹性纵梁的左右表面对称设置应变片。
8.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述多维力传感器为六维力传感器或三维力传感器。
9.一种机器人，其特征在于，包括通过致动器驱动执行工作的工作臂，所述工作臂末端包括用于连接各种任务工具的连接器，所述连接器内设置权利要求1-8中任一项所述的多维力传感器。
10.根据权利要求9所述的机器人，其特征在于，所述机器人为工业机器人。
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