CN114894364B - 一种微小型组合式多维力传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小型组合式多维力传感器结构，包括传感器主体与外壳一、外壳二；2个水平主梁与2个垂直主梁呈十字形布设在内圆台的外周；水平主梁与垂直主梁的末端均连接一垂直浮动梁，水平浮动梁由2根薄壁弧形梁组成；水平浮动梁两端均通过环形台与外圆台连接，所述传感器主体设置在外壳一与外壳二之间，应变片粘贴于水平主梁和垂直主梁上，形成2组惠斯通电桥；当力/力矩作用于十字梁时，传感器发生形变，相应位置的应变片组织发生变化，使得对应电桥的输出电压改变，通过测量电压的变化量即可获得力/力矩的值。本发明具有高灵敏度和低维间耦合的优点，结构简单，体积小，安装方便，适用于医学领域的多维力测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种微小型组合式多维力传感器结构。
背景技术
多维力传感器可同时感知空间多个维度的力分量和力矩分量，从而获取复杂系统中完整的力信息，广泛应用于智能机器人、航空航天、汽车及医疗等领域。由于医疗行业的多数医疗设备体积都较小，对力感知设备尺寸有着严苛的要求。目前，针灸学现代化发展及遥操作手术机器人均对小型多维力传感器研究和应用提出了迫切的需求，因此小型化成为医用多维力传感器面临的首要难题。
基于十字梁结构的电阻应变式多维力传感器目前应用最为广泛，通过应变片将传感器受力产生的形变转化为电压变化，实现力分量和力矩分量的测量。由于目前研制的微小型多维力传感器大多采用MEMS加工及集成应变计，导致成本较高，因此从结构上进行改进具有重要的现实意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种微小型组合式多维力传感器结构，具有高灵敏度和低维间耦合等优点，适用于医学领域的多维力测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种微小型组合式多维力传感器结构，包括传感器主体与外壳一、外壳二；所述传感器主体包括水平主梁、垂直主梁、水平浮动梁、垂直浮动梁、内圆台、外圆台、应变片；
所述水平主梁由2根矩形薄壁梁组成；薄壁梁横截面呈矩形；水平主梁的末端下表面中心轴线处均连接一垂直浮动梁；
所述垂直主梁由2根矩形薄壁梁组成；薄壁梁横截面呈矩形；垂直主梁的末端顶面均连接一垂直浮动梁；4根主梁呈十字形布设在内圆台的外周；
所述水平浮动梁由2根薄壁弧形梁组成；水平浮动梁两端均通过一环形台与外圆台连接；
所述垂直浮动梁由4根矩形薄壁梁组成；其中2根垂直浮动梁连接一水平主梁，底端连接水平浮动梁环形台；其余2根垂直浮动梁内面连接一垂直主梁，底端连接水平浮动梁；主梁与垂直浮动梁构成“T”型；
所述内圆台为一中空圆柱结构，其截面为圆环；中空结构用于针灸针过盈穿过连接；力和力矩通过中空结构作用于十字梁；内圆台的四周连接主梁，应变片粘贴于水平主梁和垂直主梁表面；
所述外圆台为一中空圆柱结构，其截面为圆环；中空圆柱的侧壁有4个固定孔一，传感器主体通过固定孔一固定在外壳一、外壳二之间；所述圆筒形外壳一、外壳二的侧壁有2个与所述固定孔一相对应的固定孔二；外壳二下方设有延长筒。
所述二维力传感器的测量原理在于：将8个应变片粘贴于水平主梁和垂直主梁上，形成2组惠斯通电桥。水平主梁上下表面粘贴4个应变片，组成敏感上下阻力Fz的电桥电路；垂直主梁侧表面粘贴4个应变片，组成敏感扭转力矩Mz的电桥电路。当力/力矩作用于十字梁时，传感器发生形变，相应位置的应变片组织发生变化，使得对应电桥的输出电压改变，通过测量电压的变化量即可获得力/力矩的值。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所设计的微小型组合式二维力传感器基于电阻应变原理，敏感部分采用矩形薄壁梁结构，弯曲形变量大，有效提高了测量灵敏度；
(2)本发明所设计的微小型组合式二维力传感器采用垂直主梁和水平主梁组合式结构，力分量感应和力矩分量感应在不同的主梁上，有效降低了维间耦合误差，具有较好的测量精度；
(3)本发明所设计的微小型组合式二维力传感器结构简单，体积小，安装方便。
附图说明
图1为本发明的未加外壳时的结构示意图。
图2为本发明的加上外壳时的结构示意图。
图3为本发明的应变片贴片位置示意图。
图4为本发明中两组电桥电路示意图。
附图标识列表：
1、外圆台，2、水平浮动梁，3、垂直浮动梁，4、水平主梁，5、内圆台，6、垂直主梁，7、应变片，8、固定孔一，9、外壳一，10、外壳二，11、固定孔二，12、延长筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
为方便描述方向，建立一个如图1所示的空间笛卡尔坐标系。
本发明提出了一种微小型组合式二维力传感器，包括传感器主体与外壳一9、外壳二10；所述传感器主体包括水平主梁4、垂直主梁6、水平浮动梁2、垂直浮动梁3、内圆台5、外圆台1；所述水平主梁4由2根矩形薄壁梁组成；薄壁梁横截面呈矩形；水平主梁4的末端下表面中心轴线处均连接一垂直浮动梁3；所述垂直主梁6由2根矩形薄壁梁组成；薄壁梁横截面呈矩形；垂直主梁6的末端顶面均连接一垂直浮动梁3(两组垂直浮动梁方向不一样)；4根主梁呈十字形布设在中心凸台的外周；所述水平浮动梁2由2根薄壁弧形梁组成；水平浮动梁2两端均通过一环形台与外圆台1连接；所述垂直浮动梁3由4根矩形薄壁梁组成；其中2根垂直浮动梁3连接一水平主梁4，底端连接水平浮动梁2环形台；其余2根垂直浮动梁3内面连接一垂直主梁6，底端连接水平浮动梁2；主梁与垂直浮动梁构成“T”型；所述内圆台5为一中空圆柱结构，其截面为圆环；中空结构用于针灸针过盈穿过连接；力和力矩通过中空结构作用于十字梁；内圆台5的四周连接主梁；所述外圆台1为一中空圆柱结构，其截面为圆环；中空圆柱的侧壁有4个固定孔一8，传感器主体通过固定孔一8固定在外壳一9、外壳二10之间；所述圆筒形外壳一9、外壳二10的侧壁有2个与所述固定孔一8相对应的固定孔二11；外壳二10下方设有延长筒(内部有线路，使用时为手握处)。
图3所示为本发明所述共8个应变片的贴片位置及对应编号R1至R8。所有应变片除编号外完全相同，即具有相同的初始阻值，在收缩时组织减小，在延展时组织增大。应变片粘贴于各个主梁受力时应变最大的位置。应变片R1、R2粘贴于水平主梁位于X正方向矩形薄壁梁的上下表面，应变片R3、R4粘贴于水平主梁位于X负方向矩形薄壁梁的上下表面，应变片R5、R6粘贴于垂直主梁位于Y负方向矩形薄壁梁的左右侧壁，应变片R7、R8粘贴于垂直主梁位于Y正方向矩形薄壁梁的左右侧壁，所有应变片均粘贴于各个梁受力时应变最大的位置。
图4所示为2个通道的应变片组成的2组惠斯通电桥。应变片R1、R2、R3、R4组成测量Z方向作用力Fz的惠斯通电桥；应变片R5、R6、R7、R8组成测量Z方向作用力矩Mz的惠斯通电桥。
所述二维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩通过内圆台5的中空结构作用于由水平主梁4和垂直主梁6组成的十字梁中心，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发生改变。于此同时，由于结构的设计，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，在使用过程中，只需测量全部2个通道的电压变化量即可获得各个维度力/力矩的数值。设R0表示应变片的零位电阻值，
分别表示在Fz、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：
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种微小型组合式多维力传感器结构，其特征在于：包括传感器主体与外壳一（9）、外壳二（10）；所述传感器主体包括水平主梁（4）、垂直主梁（6）、水平浮动梁（2）、垂直浮动梁（3）、内圆台（5）、外圆台（1）、应变片（7）；
所述水平主梁（4）与垂直主梁（6）呈十字梁，所述水平主梁（4）水平设置，水平主梁（4）与内圆台（5）的轴线垂直，垂直主梁（6）垂直设置，垂直主梁（6）与内圆台（5）的轴线平行；
所述水平主梁（4）由2根矩形薄壁梁组成；薄壁梁横截面呈矩形；水平主梁（4）的末端下表面中心轴线处均连接一垂直浮动梁（3）；
所述垂直主梁（6）由2根矩形薄壁梁组成；薄壁梁横截面呈矩形；垂直主梁（6）的末端顶面均连接一垂直浮动梁（3）；4根主梁（4和6）呈十字形布设在内圆台的外周；
所述水平浮动梁（2）由2根薄壁弧形梁组成；水平浮动梁（2）两端均通过一环形台与外圆台（1）连接；
所述垂直浮动梁（3）由4根矩形薄壁梁组成；其中2根垂直浮动梁（3）连接一水平主梁（4），底端连接水平浮动梁环形台；其余2根垂直浮动梁（3）内面连接一垂直主梁（6），底端连接水平浮动梁；主梁（4和6）与垂直浮动梁（3）构成“T”型；
所述内圆台（5）为一中空圆柱结构，其截面为圆环；中空结构用于针灸针过盈穿过连接；力和力矩通过中空结构作用于十字梁；内圆台（5）的四周连接主梁（4和6）；应变片（7）粘贴于水平主梁（4）和垂直主梁（6）表面；
所述外圆台（1）为一中空圆柱结构，其截面为圆环；中空圆柱的侧壁有4个固定孔一（8），
传感器主体通过固定孔一（8）固定在外壳一（9）、外壳二（10）之间；所述圆筒形外壳一（9）、外壳二（10）的侧壁有2个与所述固定孔一（8）相对应的固定孔二（11）；外壳二（10）下方设有延长筒（12）。
2.根据权利要求1所述的一种微小型组合式多维力传感器结构的测量原理，其特征在于： 8个应变片粘贴于水平主梁和垂直主梁上，形成2组惠斯通电桥；水平主梁上下表面粘贴4个应变片，组成敏感上下阻力
的电桥电路；垂直主梁侧表面粘贴4个应变片，组成敏感扭转力矩
的电桥电路；当力/力矩作用于十字梁时，传感器发生形变，相应位置的应变片组织发生变化，使得对应电桥的输出电压改变，通过测量电压的变化量即可获得力/力矩的值。
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