CN114894365A - 一种六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量仪器技术领域中的一种六维力传感器，包括力接触板、壳体和底板，力接触板和底板分别安装在壳体的两端面，壳体内设置有弹性体和第一电容板，第一电容板安装在弹性体上，底板上安装有第二电容板，第二电容板位于第一电容板一侧，第二电容板的一端面上设置有若干组金属片，且金属片的数量为偶数，第一电容板的一端面设置有与金属片相对应的若干组凹槽，凹槽上喷设有金属漆，且金属片包括径向部和周向部，突破了传统六维力传感器测量不敏感的瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及测量仪器技术领域，具体涉及一种六维力传感器。
背景技术
六维力传感器作为机器人和环境之间进行力学信息交换的媒介，能够实现对多维力信号的测量，在机械加工、汽车制造、智能化机器人以及航空航天等领域具有广泛的应用，目前，基于电阻应变原理的六维力传感器较为成熟，但其电路设计复杂，加工工艺要求较高，价格昂贵，而电容式六维力传感器结构简单、动态性能好，属于非接触测量，相比电阻应变片式具有较长的使用寿命，然而目前电容式六维力传感器在进行电容测量时，电容测量不敏感
如图1所示，以电容式新型六轴力矩传感器为例，将传感器受到的力分解为Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz六维空间力，相应的电容改变值设为Cell-1、Cell-2、Cell-3、Cell-4、Cell-5、Cell-6，进而通过实验得出如图2所示的关于六种不同分解力的输入与电容变化趋势的关系图，其中“～”符号即代表电容几乎没有改变，即电容变化不明显，即电容测量不敏感。
另一方面，由于使用的弹性梁为等截面直梁结构，在受力时某些方向抗弯刚度太大，存在传感器各方向灵敏度不一致的情况。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种六维力传感器，突破了传统六维力传感器测量不敏感的瓶颈。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种六维力传感器，包括力接触板、壳体和底板，所述力接触板和底板分别安装在壳体的两端面，所述壳体内设置有弹性体和第一电容板，所述第一电容板安装在弹性体上，所述底板上安装有第二电容板，所述第二电容板位于所述第一电容板一侧，所述第二电容板的一端面上设置有若干组金属片，且所述金属片的数量为偶数，所述第一电容板的一端面设置有与所述金属片相对应的若干组凹槽，所述凹槽上喷设有金属漆，且所述金属片包括径向部和周向部。
可选的，所述弹性体包括应力块、若干组弹性梁和若干组应力片，若干组所述弹性梁以应力块为中心间隔安装在应力块的侧壁上，且所述弹性梁远离应力块的一端与壳体的内壁固定连接，每组所述弹性梁至少安装有两组应力片，且所述应力片的数量为偶数。
可选的，所述弹性梁包括第一弹性部和第二弹性部，所述第一弹性部和第二弹性部垂直设置。
可选的，所述第一弹性部和第二弹性部均为非实心设置。
可选的，所述第一弹性部与应力块的连接处设置有第一加固部。
可选的，所述第二弹性部与壳体的连接处设置有第二加固部。
可选的，所述径向部与周向部成一夹角α，且所述夹角α小于90°。
可选的，相邻两组所述金属片的径向部平行设置或相邻两组所述金属片的夹角α相对设置。
可选的，所述壳体上开设有出线孔，且所述第二电容板上设置有数据传输口，所述数据传输口与出线孔相适配。
可选的，所述弹性体的受力范围为0.5N～1000N。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
通过将设置金属片的周向部和径向部，使得在进行电容测量过程中，电容值的变化在竖直方向和水平方向上均能出现明显的变化，进而得到精确的电容变化值，实现电容的敏感性，同时，通过第一弹性部和第二弹性部的结合以及两者的非实心设置两方面，提高了弹性梁的应力敏感性，使得应力片所测得的应力数据更为精准，并且还通过加固部的设置，使得在不影响弹性梁敏感性的情况下，提升了整个弹性体的耐压性，防止了因弹性梁的敏感性，导致弹性体的各个连接处发生断裂的情况发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有电容式新型六轴力矩传感器的双轴传感器俯视图；
图2为现有电容式新型六轴力矩传感器的六种不同分解力输入与电容变化趋势的关系图；
图3为本实施例提出的一种六维力传感器的立体图；
图4为本实施例提出的一种六维力传感器的拆分图；
图5为本实施例提出的一种六维力传感器的第二电容板结构图；
图6为本实施例提出的一种六维力传感器的第一电容板结构图；
图7位本实施例提出的一种六维力传感器的弹性体结构图。
附图标记：1、力接触板；2、壳体；3、底板；4、弹性体；5、第一电容板；6、第二电容板；7、金属片；8、凹槽；9、径向部；10、周向部；11、应力块；12、弹性梁；13、应力片；14、第一弹性部；15、第二弹性部；16-1、第一加固部；16-2、第二加固部；17、出线孔；18、数据传输口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例一
如图3和图4所示，一种六维力传感器，包括力接触板1、壳体2和底板3，力接触板1和底板3分别安装在壳体2的两端面，壳体2内设置有弹性体4和第一电容板5，第一电容板5安装在弹性体4上，底板3上安装有第二电容板6，第二电容板6位于第一电容板5一侧，在使用时，第一电容板5与第二电容板6形成一个平行板电容器，在实际使用时，力接触板1受到外部施加的力，产生形变，而由于弹性体4在壳体2内的位置为靠近壳体2的开口端面一处，弹性体4的一端面与壳体2的开口处在同一水平面，且力接触板1在安装时，通过周边的安装口安装在壳体2上，因此，力接触板1的一面与弹性体4为接触式设置，当力接触板1受力形变后，将力传输给弹性体4，进而使得弹性体4发生形变。
如图7所示，另一方面，弹性体4包括应力块11、若干组弹性梁12和若干组应力片13，若干组弹性梁12以应力块11为中心间隔安装在应力块11的侧壁上，且弹性梁12远离应力块11的一端与壳体2的内壁固定连接，每组弹性梁12至少安装有两组应力片13，且应力片13的数量为偶数，即应力片13安装在弹性梁12的两平行端面，用以测量弹性梁12的应变量，具体的，力接触板1将所受力传递给应力块11，应力块11在受力情况下，将外力传力给弹性梁12，从而通过应变片测量弹性梁12应变量的方法进行记录形变量。
由于第一电容板5安装时，通过中心凸起的柱体卡入应力块11位于中心位置的通孔内，并使用螺丝进行固定，而第二电容板6安装时，直接安装在底板3的三组凸起立柱上，且当底板3安装在壳体2上后，第二电容板6位于壳体2内，并与第一电容板5保持一定间距，因此，当弹性梁12以及应力块11形变后，会带动第一电容板5向第二电容板6靠近，使得第一电容板5与第二电容板6的位置发生相对变化，进而改变第一电容板5与第二电容板6之间的间距，同时影响电容的变化。
另一方面，由第一电容板5和第二电容板6所组成的平行板电容器在弹性体4受力发生形变后，由于形变所产生的剪切力，其电容也在电极的水平偏移处发生变化，具体的，如图5和图6所示，第二电容板6的一端面上设置有若干组金属片7，且金属片7的数量为偶数，第一电容板5的一端面设置有与金属片7相对应的若干组凹槽8，凹槽8上喷设有金属漆，且金属片7包括径向部9和周向部10，凹槽8处的金属漆与第二电容板6上的金属片7一一对应，形成若干对正负极，在受到剪切力后，每个凹槽8与对应的金属片7位置发生一定的偏移，具体的，该偏移可以通过凹槽8与金属片7相对应的角度变化体现，该角度变化可以为水平面上的变化，也可以为竖直面上的变化，其中，x轴、y轴所在平面为水平面，z轴所在平面为竖直面，进一步的，径向的偏移通过径向部9的电容变化测量得到，而周向的偏移通过周向部10的电容变化测量得到，并最终通过径向与周向结合，实现电容最终的变化测量值，由于设置了与径向部9成一夹角的周向部10，从而解决了由于径向的金属片7只具有较长的长度，宽度过窄，导致在宽度方向上的电容测量变化值较小，不够敏感的问题，即通过周向部10的设置，增加了金属片7在宽度方向上的面积，相应的，第一电容板5上所开的凹槽8同样的开设了与周向部10相对应的部分，从而使得平行板电容器在长度方向以及宽度方向上均能够测得明显的电容变化值，需要说明的是，径向部9的长度方向即为x轴方向，径向部9的宽度方向即为y轴方向。
此外，为减少平行板电容器的体积，同时增大电容量，要使金属片7越薄越好，而铜存在两个自由电子，通电时也更易导电，因此金属片7和金属漆可以选用铜材质，但不限于铜材质。
如图5所示，径向部9与周向部10成一夹角α，且夹角α小于90°，相邻两组金属片7的径向部9平行设置或相邻两组金属片7的夹角α相对设置，且径向部9相互平行的一对金属片7构成一个双轴传感器，在本实施例中，共设置有六组金属片7，构成三个双轴传感器，从而通过双轴传感器，可测量在一个平面内的水平方向上的电容变化量，并结合第一电容板5与第二电容板6的相对位置变化测得竖直方向上的电容变化量。
第二电容板6上还设置有检测电路，包括控制器、若干组应力传感器、若干组电容传感器和温度传感器，在本实施例中，应力传感器的数量为八组，电容传感器的数量为三组，且应力传感器、电容传感器以及温度传感器均与控制器电连接，应力传感器用于测量弹性梁12的应变值，电容传感器用于测量电容变化值，而温度传感器则用于测量六维力传感器内的温度变化，从而避免因温度变化引起电容阻值变化，通过温度传感器将电阻式与电容式进行结合，进而使得测量精度更准确，具体的，当温度变化时，金属的电阻值也会产生变化，而电阻值作为直接的输出信号，在进行电阻式与电容式测法两者的结合过程中，间接影响到电容测量精度。
如图4和图5所示，壳体2上开设有出线孔17，且第二电容板6上设置有数据传输口18，数据传输口18与出线孔17相适配，从而工作人员通过数据传输口18实现数据的传输。
实施例二
如图7所示，弹性梁12包括第一弹性部14和第二弹性部15，第一弹性部14和第二弹性部15垂直设置，与现有单根弹性梁12设置，由于单根弹性梁12在受力时抗弯刚度过大，因此，位于弹性梁12上的应力片13不易采集到弹性梁12的形变量，因此，本实施例通过设置第一弹性部14和第二弹性部15，并且通过相互垂直交错的连接方式，扩大受力的形变，从而使得应力片13能够测得器形变量。
另一方面，第一弹性部14和第二弹性部15均为非实心设置，且该非实心设置可以在第一弹性部14和第二弹性部15内部进行挖空设置，也可在第一弹性部14和第二弹性部15的两个相对的侧面设置细小的凹陷部，从而通过这样的非实心设置，进一步将受力的形变扩大话，使得应力片13的测量更为敏感，其中，在本实施例中，采用的是在第一弹性部14和第二弹性部15各自的两个相对的侧面设置细小的凹陷部的方案，此时，由于第一弹性部14和第二弹性部15均有两个侧面设置有细小凹陷部，因此，应力片13需设置在第一弹性部14的平整侧面上，即第一弹性部14设置两组应力片13，第二弹性部15也设置两组应力片13，使得每一组弹性梁12均含有四组应力片13进行测量，此时，弹性体4的受力范围因控制在0.5N～1000N，从而避免因施加的力过大导致弹性体4发生断裂；若采用第一弹性部14和第二弹性部15内部挖空设置，则此时，应力片13应设置在第一弹性部14的四个侧面，同样的，第二弹性部15的四个侧面也应各设置一个应力片13，即每根弹性梁12上均设置有八组应力片13，从而对第一弹性部14和第二弹性部15的各个方位实现测量，需要说明的是，应力片13应在第一弹性部14和第二弹性部15应变较大的区域。
第一弹性部14与应力块11的连接处设置有第一加固部16-1，第二弹性部15与壳体2的连接处设置有第二加固部16-2，由于为提高受力测量的敏感性，因此，相对的会对弹性梁12的整体产生影响，最直接的便是连接处，因此，在第一弹性部14与应力块11连接处以及第二弹性部15与壳体2内壁的连接处设置第二加固部16-2，从而防止因施加力过大而使连接处直接断裂，并且第二加固部16-2的位置设置不影响第一弹性部14和第二弹性部15的应力敏感性，同时，第一加固部16-1与第一弹性部14以及第二加固部16-2与第二弹性部15均为一体成型设计。
具体的，第一加固部16-1含有两平行端面，且该两平行端面分别与应力块11、第一弹性部14相连，且与第一弹性部14相连的一端面的宽度与第一弹性部14的厚度相同，与应力块11相连的一端面的宽度大于与第一弹性部14相连的一端面的宽度，同时，第一加固部16-1连接两平行端面的两侧面为弧形面设置；另一方面，第二加固部16-2的截面为扇形，第二加固部16-2与壳体2内壁相接触的一面为弧形设置，而第二加固部16-2与第二弹性部15相连处同样的设置有两弧形面的设置。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种六维力传感器，其特征在于，包括力接触板、壳体和底板，所述力接触板和底板分别安装在壳体的两端面，所述壳体内设置有弹性体和第一电容板，所述第一电容板安装在弹性体上，所述底板上安装有第二电容板，所述第二电容板位于所述第一电容板一侧，所述第二电容板的一端面上设置有若干组金属片，且所述金属片的数量为偶数，所述第一电容板的一端面设置有与所述金属片相对应的若干组凹槽，所述凹槽上喷设有金属漆，且所述金属片包括径向部和周向部。
2.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述弹性体包括应力块、若干组弹性梁和若干组应力片，若干组所述弹性梁以应力块为中心间隔安装在应力块的侧壁上，且所述弹性梁远离应力块的一端与壳体的内壁固定连接，每组所述弹性梁至少安装有两组应力片，且所述应力片的数量为偶数。
3.根据权利要求2所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述弹性梁包括第一弹性部和第二弹性部，所述第一弹性部和第二弹性部垂直设置。
4.根据权利要求3所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述第一弹性部和第二弹性部均为非实心设置。
5.根据权利要求3所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述第一弹性部与应力块的连接处设置有第一加固部。
6.根据权利要求3所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述第二弹性部与壳体的连接处设置有第二加固部。
7.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述径向部与周向部成一夹角α，且所述夹角α小于90°。
8.根据权利要求7所述的一种六维力传感器，其特征在于，相邻两组所述金属片的径向部平行设置或相邻两组所述金属片的夹角α相对设置。
9.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述壳体上开设有出线孔，且所述第二电容板上设置有数据传输口，所述数据传输口与出线孔相适配。
10.根据权利要求1所述的一种六维力传感器，其特征在于，所述弹性体的受力范围为0.5N～1000N。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yang Jiantao Inventor after: Wang Zejie Inventor after: Yang Lihong Inventor after: Sun Tairen Inventor after: Luo Linlaisheng Inventor before: Yang Jiantao Inventor before: Wang Zekai Inventor before: Yang Lihong Inventor before: Sun Tairen Inventor before: Luo Linlaisheng |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |