CN115711698A - 一种六维力传感器的变结构弹性梁 - Google Patents

Abstract

本发明是一种六维力传感器的变结构弹性梁，在中心台(1)的四个侧面分别连接一个主梁(2)，每一个主梁的外端铰接一个可变梁(3)；基座(4)的主体为一个方形结构，在基座的四个外侧面分别设有一个外侧固定板(10)，每一个外侧固定板上设有一个浮动梁(5)，每一个浮动梁上设有一个侧矩形凸台(8)，在基座的四个外侧固定板内侧分别设有一个下矩形凸台(7)；可变梁的外端可与下矩形凸台或侧矩形凸台螺纹固定连接；在主梁的上下表面和两侧面分别设有应变片(9)。本发明在保证六维力传感器双量程高灵敏度测量的同时，具有结构简单、维间耦合低等优点。

Description

一种六维力传感器的变结构弹性梁

技术领域

本发明是一种六维力传感器的变结构弹性梁，属于多维力传感器设计的技术领域。

背景技术

六维力传感器可同时测量空间三个维度的力分量和三个维度的力矩分量，从而获取复杂系统中完整的力信息，在智能机器人、航空航天、汽车及医疗等领域具有广泛的应用需求。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。

目前，六维力传感器大多为单量程，为避免传感器损坏，一般选用量程稍大的传感器，其缺点是无法保证小量程测量时的精度。因此，可变量程的多维力传感器设计具有重要的意义。但目前研制的多量程力传感器大多是单维力传感器，应用具有很大的局限性，且普遍存在结构复杂，难以加工，精度不高等问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有六维力传感器的小量程使用精度低，多量程力传感器维数少且加工困难等问题，提供一种六维力传感器的变结构弹性梁，在保证六维力传感器双量程高灵敏度测量的同时，具有结构简单、维间耦合低等优点。

技术方案：本发明的一种六维力传感器的变结构弹性梁包括中心台、主梁、可变梁、基座和浮动梁；其中，中心台的上、下两面不连接其它部件，在中心台的四个侧面分别连接一个主梁，每一个主梁的外端铰接一个可变梁；基座的主体为一个方形结构，在基座的四个外侧面分别设有一个外侧固定板，每一个外侧固定板上设有一个浮动梁，每一个浮动梁上设有一个侧矩形凸台，在基座的四个外侧固定板内侧分别设有一个下矩形凸台；可变梁的外端可与下矩形凸台或侧矩形凸台螺纹固定连接；在主梁的上下表面和两侧面分别设有应变片。

所述中心台是一个横截面为正方形的柱体，在中心台上有4个施力孔，外力通过施力孔作用于中心台上。

所述主梁为4根矩形横梁，其截面为正方形；主梁的外端设有铰接槽和铰接孔。

所述可变梁为4根长方形结构的柱体，其截面为正方形；可变梁的一端设有与主梁铰接的铰接孔，可变梁的另一端设有可与下矩形凸台或侧矩形凸台固定连接的连接孔。

所述基座，其底端为一方框结构，在该方框结构上表面四周的中心内侧分别设置有下矩形凸台，在该方框结构上表面四周的中心外侧分别设置有L型外侧固定板。

所述浮动梁的两端固定在外侧固定板上，浮动梁的中间悬空，在浮动梁的中部外侧设有侧矩形凸台。

所述侧矩形凸台的连接孔设置为螺纹孔，可变梁通过侧矩形凸台的连接孔固定在浮动梁上。

所述下矩形凸台的连接孔设置为螺纹孔，可变梁通过下矩形凸台的连接孔固定在基座上。

所述主梁包括第一横梁、第二横梁、第三横梁、第四横梁，

其中，处于对称位置的第一横梁和第二横梁为第一组主梁，处于对称位置的第三横梁和第四横梁为第二组主梁；

将24个应变片粘贴在主梁上，形成6组惠斯通电桥，

第二组主梁靠近中心台侧壁上共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路，包括应变片贴片R13、R14、R15、R16；

第一组主梁靠近中心台侧壁上共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路，包括应变片贴片R17、R19、R21、R23；

第二组主梁靠近中心台上下表面共4个应变片，组成测量Z反向作用力Fz的电桥电路，包括应变片贴片R1、R3、R7、R9；

第二组主梁远离中心台上下表面共4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路，包括应变片贴片R2、R4、R8、R10；

第一组主梁远离中心台上下表面共4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路，包括应变片贴片R5、R6、R11、R12；

第一组主梁远离中心台的侧壁上共4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路，包括应变片贴片R18、R20、R22、R24；

当某一维度的力/力矩作用于十字横梁中心时，传感器发生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，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该维度力/力矩的数值。

双量程的实现：

应用小量程时，需将4根可变梁固定在基座方框结构上表面中心的下矩形凸台上；应用大量程时，需将4根可变梁固定在浮动梁侧壁中心的侧矩形凸台上。

有益效果：同现有的技术比较，本发明有如下优点：

(1)本发明所设计的六维力传感器的变结构弹性梁具有双量程，可轻松切换量程，保证传感器在小量程测量时同样具有高灵敏度和高精度；

(2)本发明所设计的六维力传感器的变结构弹性梁基于电阻应变原理，敏感部位采用矩形梁结构，测量灵敏度高；

(3)本发明所设计的六维力传感器的变结构弹性梁在小量程应用时，主梁和可变梁之间采用铰链连接，而在大量程应用时，采用了主梁与浮动梁结合，都能有效地降低维间耦合，提高传感器的测量精度；

(4)本发明所设计的六维力传感器的变结构弹性梁结构简单，易于加工。

附图说明

图1为本发明的小量程结构示意图。

图2为本发明的大量程结构示意图。

图3为本发明的应变片贴片位置示意图。其中有：应变片贴片R1-R24，其中带有括号的应变片贴片R7、R8、R9、R10、R11、R12均粘贴于主梁下表面。

图4为本发明的六组电桥电路示意图。

图中有：中心台1、主梁2、第一横梁2-1、第二横梁2-2、第三横梁2-3、第四横梁2-4、可变梁3、基座4、浮动梁5、施力孔6、下矩形凸台7、侧矩形凸台8、应变片9、外侧固定板10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，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。本发明提出了一种六维力传感器的变结构弹性梁，包括中心台1、主梁2、可变梁3、基座4和浮动梁5；所述中心台1为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台1上有4个施力孔6，力和力矩通过施力孔6作用于中心台1上；中心台1的四个侧面与主梁2相连；所述主梁2为4根矩形横梁，其截面为正方形；主梁2的一端与中心台1相连，另一端通过铰链连接与可变梁3相连；所述可变梁3为4根长方形结构的柱体，其截面为正方形；可变梁3一端与主梁2铰链连接，另一端中心设置有凹槽，且可变梁3的侧面有与基座4相连的固定孔；所述基座4底端为一方框结构，四周上表面中心设置有下矩形凸台7，方框结构四周侧壁中心设置有“L”型外侧固定板10；所述下矩形凸台7侧面设置有螺纹孔，可变梁3可通过下矩形凸台7上的螺纹孔固定在基座4上；所述“L”型外侧固定板10的顶端侧壁通过一矩形台与浮动梁5相连；所述浮动梁5为4根长方形结构的柱体，其截面呈矩形；所述浮动梁5侧壁中心同样设置有侧矩形凸台8，可变梁3可通过侧矩形凸台8上的螺纹孔固定在浮动梁5上；

图3所示为本发明所述共24个应变片贴片位置，对应应变片贴片R1至R24。所有应变片贴片完全相同，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。应变片贴片R1、R7粘贴于主梁位于Y正方向矩形横梁靠近中心台的上下表面，应变片贴片R3、R9粘贴于主梁位于Y负方向矩形横梁靠近中心台的上下表面，应变片贴片R2、R8粘贴于主梁位于Y正方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片贴片R4、R10粘贴于主梁位于Y负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片贴片R5、R11粘贴于主梁位于X正方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片贴片R6、R12粘贴于主梁位于X负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片贴片R13、R14粘贴于主梁位于Y正方向矩形横梁靠近中心台的左右侧壁，应变片贴片R15、R16粘贴于主梁位于Y负方向矩形横梁靠近中心台的左右侧壁，应变片贴片R17、R19粘贴于主梁位于X正方向矩形横梁靠近中心台的左右侧壁，应变片贴片R21、R23粘贴于主梁位于X负方向矩形横梁靠近中心台的左右侧壁，应变片贴片R18、R20粘贴于主梁位于X正方向矩形横梁远离中心台的左右侧壁，应变片贴片R22、R24粘贴于主梁位于X负方向矩形横梁远离中心台的左右侧壁，所有应变片贴片均粘贴于各个梁受力时应变最大的位置。

图4所示为6个通道的应变片组成的6组惠斯通电桥。应变片贴片R13、R14、R15、R16组成测量X方向作用力Fx的惠斯通电桥；应变片贴片R17、R19、R21、R23组成测量Y方向作用力Fy的惠斯通电桥；应变片贴片R1、R3、R7、R9组成测量Z方向作用力Fz的惠斯通电桥；应变片贴片R2、R4、R8、R10组成测量X方向作用力矩Mx的惠斯通电桥；应变片贴片R5、R6、R11、R12组成测量Y方向作用力矩My的惠斯通电桥；应变片贴片R18、R20、R22、R24组成测量Z方向作用力矩Mz的惠斯通电桥。

所述六维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩通过施力孔6作用于由4根主梁组成的十字梁中心，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6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，ΔR_Fx、ΔR_Fy、ΔR_Fz、ΔR_Mx、ΔR_My、ΔR_Mz分别表示在Fx、Fy、Fz、Mx、My、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：

双量程的实现：

应用小量程时，需将4根可变梁3固定在基座4方框结构上表面中心的下矩形凸台7上；应用大量程时，需将4根可变梁3固定在浮动梁5侧壁中心的侧矩形凸台8上。

Claims (9)

1.一种六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，该变结构弹性梁包括中心台(1)、主梁(2)、可变梁(3)、基座(4)和浮动梁(5)；其中，中心台(1)的上、下两面不连接其它部件，在中心台(1)的四个侧面分别连接一个主梁(2)，每一个主梁(2)的外端铰接一个可变梁(3)；基座(4)的主体为一个方形结构，在基座(4)的四个外侧面分别设有一个外侧固定板(10)，每一个外侧固定板(10)上设有一个浮动梁(5)，每一个浮动梁(5)上设有一个侧矩形凸台(8)，在基座(4)的四个外侧固定板(10)内侧分别设有一个下矩形凸台(7)；可变梁(3)的外端与下矩形凸台(7)或侧矩形凸台(8)螺纹固定连接；在主梁(2)的上下表面和两侧面分别设有应变片(9)。

2.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述中心台(1)是一个横截面为正方形的柱体，在中心台(1)上有4个施力孔(6)，外力通过施力孔(6)作用于中心台(1)上。

3.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述主梁(2)为4根矩形横梁，其截面为正方形；主梁的外端设有铰接槽和铰接孔。

4.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述可变梁(3)为4根长方形结构的柱体，其截面为正方形；可变梁(3)的一端设有与主梁(2)铰接的铰接孔，可变梁(3)的另一端设有与下矩形凸台(7)或侧矩形凸台(8)连接的连接孔。

5.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述基座(4)，其底端为一方框结构，在该方框结构上表面四周的中心内侧分别设置有下矩形凸台(7)，在该方框结构上表面四周的中心外侧分别设置有L型外侧固定板(10)。

6.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述浮动梁(5)的两端固定在外侧固定板(10)上，浮动梁(5)的中间悬空，在浮动梁(5)的中部外侧设有侧矩形凸台(8)。

7.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述侧矩形凸台(8)的连接孔设置为螺纹孔，可变梁(3)通过侧矩形凸台(8)的连接孔固定在浮动梁(5)上。

8.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述下矩形凸台(7)的连接孔设置为螺纹孔，可变梁(3)通过下矩形凸台(7)的连接孔固定在基座(4)上。

9.根据权利要求1所述的六维力传感器的变结构弹性梁，其特征在于，所述主梁(2)包括第一横梁(2-1)、第二横梁(2-2)、第三横梁(2-3)、第四横梁(2-4)，

其中，处于对称位置的第一横梁(2-1)和第三横梁(2-2)为第一组主梁，处于对称位置的第二横梁(2-3)和第四横梁(2-4)为第二组主梁；

将24个应变片粘贴在主梁(2)上，形成6组惠斯通电桥，

第二组主梁靠近中心台侧壁上共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路，包括应变片贴片R13、R14、R15、R16；

第一组主梁靠近中心台侧壁上共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路，包括应变片贴片R17、R19、R21、R23；

第二组主梁靠近中心台上下表面共4个应变片，组成测量Z反向作用力Fz的电桥电路，包括应变片贴片R1、R3、R7、R9；

第二组主梁远离中心台上下表面共4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路，包括应变片贴片R2、R4、R8、R10；

第一组主梁远离中心台上下表面共4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路，包括应变片贴片R5、R6、R11、R12；

第一组主梁远离中心台的侧壁上共4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路，包括应变片贴片R18、R20、R22、R24；

当某一维度的力/力矩作用于十字横梁中心时，传感器发生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，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该维度力/力矩的数值。

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