CN114964597A - 一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器 - Google Patents

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    • G01L5/169—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using magnetic means

Abstract

本发明公开了一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器，其包括外壳，上盖，传感器弹性体，力敏检测模块以及信号处理电路板。本发明基于逆磁致伸缩效应检测X，Y，Z三个方向的力Fx，Fy，Fz以及力矩Mx，My，Mz的大小。本发明提出使用逆磁致伸缩效应为原理的敏感头，并为敏感头设计弹性体；本发明有利于提高传感器灵敏度，具有误差小，适用范围广等优势。并且所提出的弹性体有利于减少维间耦合，能改善六维力/力矩传感器复合加载时的解耦效果。

Description

一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别涉及一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器。
背景技术
六维力/力矩传感器能够同时测量空间三个方向的力和力矩载荷，通常应用于机器人末端，用于检测作业中的机器人与环境之间的多维交互力/力矩，并将交互力/力矩反馈给机器人力控制系统，实现机器人控制的力闭环。
六维力/力矩传感器根据测量原理的不同可以分为：电阻应变式、电容式、压电式、光电式和磁弹式等，各个方法都有其特有的优势，也存在着各自的缺点，适合应用的领域也往往不同。
应变片传感器是通过在弹性轴上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。其优点在于精度灵敏度高，成本低廉；缺点为在旋转轴中附加了结构，高转速存在动平衡问题。
光电式传感器将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，转轴无扭矩作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路。有扭矩作用时两个圆盘形光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号。通过测量输出的电信号能够测得外加扭矩的大小。其优点在于可以实时监测，响应迅速；缺点是结构复杂、静标困难、可靠性较差、抗干扰能力差。
磁电式传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近磁强传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。其优点是精度高、成本较低、性能可靠；缺点是响应时间较长，对被测轴改动较大，影响系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种成本低、灵敏度高、响应速度块而且结构强度高的六维力/力矩传感器。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器，包括：外壳，上盖，传感器弹性体，力敏检测模块以及信号处理电路板；其中，所述传感器弹性体包括一个中心固定块、四个外圈固定块、八个浮动梁和四个应力梁；所述中心固定块的中间有一个通孔并且外圈均匀分布有六个孔；应力梁为空心结构，每根应力梁的一端与中心固定块连接，另一端与浮动梁相连；浮动梁与外圈固定块相连；
所述力敏检测模块包含非晶态合金检测片、励磁检测线圈以及线圈支架；非晶态合金检测片粘贴在传感器弹性体的检测区域上；励磁检测线圈固定在线圈支架以及外壳上；线圈支架固定在外壳上；传感器弹性体以及信号处理电路板均置于外壳内。
作为优选的一种技术方案，所述非晶态合金片粘贴在传感器弹性体的应力梁上。
作为优选的一种技术方案，所述非晶态合金片粘贴位置分布在四个应力梁的八个位置，分别粘贴在四个应力梁的侧面以及四个应力梁的底面。
作为优选的一种技术方案，所述励磁检测线圈由PCB制作，用于产生交变磁场以及检测磁场的变化，共六个，其中三个固定在外壳上，另外三个固定在线圈支架上。
作为优选的一种技术方案，所述线圈支架上开设有5个孔，其中一个为中心孔，中心孔为线圈支架安装孔，其他四个孔为励磁检测线圈安装孔。
作为优选的一种技术方案，所述线圈支架固定在传感器弹性体周围，共四个，分别分布在四根应力梁旁。
作为优选的一种技术方案，所述信号处理电路板通过铜柱以及螺钉固定在外壳上。
作为优选的一种技术方案，所述上盖与外壳通过螺钉固定连接。
本发明相对于现有技术的有益效果是：通过改进现有传感器弹性体结构，使弹性体在刚度降低有限时，能对传感器灵敏度有较大提升；另外，本发明所提出的传感器弹性体结构减小了传感器弹性体应力梁的惯性矩其会导致应力梁上表面应力增大而传感器弹性体刚度基本不变。
附图说明
图1是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的立体外观示意图；
图2是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的立体内部结构图；
图3是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的弹性体结构图；
图4是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的弹性体俯视图；
图5是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的弹性体主视图；
图6是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的立体结构剖视图；
图7是本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器的爆炸结构示意图；
图中标记示意为：1-上盖；2-信号处理电路板；3-铜柱；4-螺母；5-传感器弹性体；6-外壳；7-弹性体固定螺钉；8-线圈支架固定螺钉；9-线圈支架；51-中心固定块；52-浮动梁；53-应力梁；54-外圈固定块。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-5所示，本实施例提供了一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器，它包含外壳6，上盖1，传感器弹性体5，力敏检测模块以及信号处理电路板2。
进一步的，力敏检测模块包含非晶态合金检测片，励磁检测线圈以及线圈支架9。
进一步的，传感器弹性体5是主要力敏元件，其中由一个中心固定块51，四个外圈固定块54，八个浮动梁52和四个应力梁53组成；整个传感器弹性体5一体加工成型。
进一步的，传感器弹性体5的中心固定块51中间有一个通孔并且外圈有6个孔均布；四根应力梁53为空心结构，其中一端与中心固定块51连接；另一端与浮动梁52相连；浮动梁52与外圈固定块54相连；外圈固定块54有3个孔，其中外圈两个孔为法兰固定孔，内圈孔为外壳固定孔。
进一步的，非晶态合金片是逆磁致伸缩检测的主要元件，是力敏检测模块的一部分，其粘贴在传感器弹性体5的应力梁53上。
进一步的，非晶态合金片粘贴位置分布在4个应力梁53的六个位置，分别粘贴在四个应力梁53的侧面以及四个应力梁53的底面。
进一步的，励磁检测线圈由PCB制作，是力敏检测模块的一部分，用于产生交变磁场以及检测磁场的变化，和非晶态合金片配合使用，共需六个，其中三个固定在外壳6上，另外三个固定在线圈支架9上。
进一步的，线圈支架9共有5个孔，中心孔为线圈支架9安装孔，其他四个孔为励磁检测线圈安装孔。
进一步的，线圈支架9固定在传感器弹性体5周围，共3个，分布在三根应力梁旁。
进一步的，信号处理电路板2是传感器电信号输入输出处理的元件，通过铜柱3以及螺母4与线圈支架9固定。
进一步的，外壳是6与上盖1是传感器保护组件，传感器弹性体5通过弹性体固定螺钉7与外壳固定，线圈支架9通过线圈支架固定螺钉8与外壳相连。
工作原理：
本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器在使用时，力或力矩输入时会导致传感器弹性体5中应力梁53发生应力应变，从而引起粘贴在其上的非晶态合金片产生应力，根据磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应，在励磁线圈产生的交变磁场中会改变其磁通，检测线圈检测到磁通的变化继而转化成电学信号来表示所受力或力矩的变化。
当六维力/力矩传感器受到力或力矩的时候，力或力矩会传递到传感器弹性体5上，此时应力梁53会发生弯曲变形，浮动梁52会发生弯曲和扭转变形，此时会产生应力和应变。
当应力梁53上产生应力时，粘贴在应力梁53表面的非晶态合金片会引起逆磁致伸缩效应（维拉里效应）。非晶态合金片本质是一种磁致伸缩材料，其特征是在受到应力时，会引起磁导率的变化。此时，如果存在一个外界磁场，就会引起磁场的变化。
磁弹效应是铁磁材料所具有的独特的物理性质，其表明了在外部作用力的影响下，其内部的参数磁导率会改变。由铁磁材料制作而成的弹性轴在稳定的外部激励场的作用下，与此同时，它又受到外部作用力的影响时，弹性轴材料磁化状态的改变可以看作是磁导率改变的结果。磁性材料在扭矩或应力的作用下，其内部磁畴结构的改变是影响材料内部磁化状态改变的原因。所以说，利用铁磁材料的磁弹效应可以通过测量对其加载扭矩时其磁化强度的改变来表征其应力状态变化，从而将测量扭矩的问题转化为测量材料的磁化强度的问题。除此之外，磁致伸缩系数这一物理量的正负也会影响磁畴的转动方向。该传感器从磁导率的改变和磁感应强度的改变来探讨弹性轴材料的磁化状态改变。实际上，磁化强度的改变就是磁感应强度的改变，所以我们可以从宏观的磁感应强度的改变来分析施加的外部扭矩。
线圈支架9上的励磁检测线圈中的励磁线圈会持续的给非晶态合金检测片附加一个稳定的交变磁场，当传感器弹性体5上的应力梁53有应力变化时，其表面磁致伸缩材料会导致其磁场变化，线圈支架9上的励磁检测线圈中的检测线圈就会识别其变化并将变化转化为电信号传递给信号处理电路板2上的单元进行处理。
根据材料力学关系有：
Figure 124188DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 306907DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 352224DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 747433DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 827384DEST_PATH_IMAGE005
表示应力梁转角，
Figure 649847DEST_PATH_IMAGE006
表示应力梁挠度，
Figure 683924DEST_PATH_IMAGE007
表示应力梁在受Z轴方向上加载时所受力，
Figure 882824DEST_PATH_IMAGE008
表示应力梁在受Z轴方向上加载时所受力矩，
Figure 817282DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 810646DEST_PATH_IMAGE010
表示应力梁长度，
Figure 830555DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 567567DEST_PATH_IMAGE012
表示应力梁惯性矩，E表示应力梁弹性模量，
Figure 356531DEST_PATH_IMAGE013
表示浮动梁转角，
Figure 786375DEST_PATH_IMAGE014
表示浮动梁挠度，
Figure 293580DEST_PATH_IMAGE015
表示浮动梁在受Z轴方向上加载时所受力矩，
Figure 568704DEST_PATH_IMAGE016
表示浮动梁在受Z轴方向上加载时所受力；
根据几何关系可以得到：
Figure 477754DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 812920DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 807421DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 886235DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 649792DEST_PATH_IMAGE021
；
其中，
Figure 421439DEST_PATH_IMAGE022
表示浮动梁转角，
Figure 372078DEST_PATH_IMAGE023
表示浮动梁扭矩，
Figure 520162DEST_PATH_IMAGE024
表示浮动梁抗扭刚度，
Figure 872646DEST_PATH_IMAGE025
表示传感器弹性体所受力；
联立可以解得：
Figure 80773DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 518708DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 204904DEST_PATH_IMAGE028
；
则距加载块x处的表面应力为：
Figure 677474DEST_PATH_IMAGE029
；
传感器弹性体在FZ方向上的刚度为：
Figure 56503DEST_PATH_IMAGE030
；
根据上式可以知道，本发明所提出的传感器弹性体结构减小了传感器弹性体的应力梁的惯性矩其会导致应力梁上表面应力增大而传感器弹性体刚度基本不变。
另外，通过Ansys workbench对传感器弹性体仿真分析可以知道，本发明所提出的传感器弹性体刚度仅降低为原本弹性体的96%，若给弹性体Z轴方向500N的力，则最大表面应力可以提升为原本弹性体112%。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于逆磁致伸缩效应的六维力/力矩传感器，其特征在于，包括：外壳，上盖，传感器弹性体，力敏检测模块以及信号处理电路板；其中，所述传感器弹性体包括一个中心固定块、四个外圈固定块、八个浮动梁和四个应力梁；所述中心固定块的中间有一个通孔并且外圈均匀分布有六个孔；应力梁为空心结构，每根应力梁的一端与中心固定块连接，另一端与浮动梁相连；浮动梁与外圈固定块相连；
所述力敏检测模块包含非晶态合金检测片、励磁检测线圈以及线圈支架；非晶态合金检测片粘贴在传感器弹性体的检测区域上；励磁检测线圈固定在线圈支架以及外壳上；线圈支架固定在外壳上；传感器弹性体以及信号处理电路板均置于外壳内。
2.根据权利要求1所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述非晶态合金片粘贴在传感器弹性体的应力梁上。
3.根据权利要求2所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述非晶态合金片粘贴位置分布在四个应力梁的八个位置，分别粘贴在四个应力梁的侧面以及四个应力梁的底面。
4.根据权利要求1所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述励磁检测线圈由PCB制作，用于产生交变磁场以及检测磁场的变化，共六个，其中三个固定在外壳上，另外三个固定在线圈支架上。
5.根据权利要求1所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述线圈支架上开设有5个孔，其中一个为中心孔，中心孔为线圈支架安装孔，其他四个孔为励磁检测线圈安装孔。
6.根据权利要求1所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述线圈支架固定在传感器弹性体周围，共四个，分别分布在四根应力梁旁。
7.根据权利要求1所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述信号处理电路板通过铜柱以及螺钉固定在外壳上。
8.根据权利要求1所述的六维力/力矩传感器，其特征在于：所述上盖与外壳通过螺钉固定连接。
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