CN117606664A - 一种六维力传感器的阶梯型弹性梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六维力传感器的阶梯型弹性梁，包括中心台、阶梯型主梁、浮动梁、轮缘和应变片；中心台通过阶梯型主梁与外侧的浮动梁连接，四角的轮缘与浮动梁相连；将24个应变片粘贴在阶梯型主梁上，形成6组惠斯通电桥，当某一维度的力/力矩作用于阶梯型弹性梁中心时，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，结构简单、灵敏度高且维间耦合低。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种六维力传感器的阶梯型弹性梁。
背景技术
六维力传感器可同时感知空间三维力分量和三维力矩分量，获取复杂系统中完整力信息，在智能机器人、航空航天、生物医学研究、医疗器械及汽车等领域具有广阔的应用前景。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。
由于目前研制的应变式多维力传感器大多存在结构复杂、维间耦合干扰大、灵敏度低等问题，因此设计结构简单、灵敏度高且维间耦合低的弹性梁结构具有重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种六维力传感器的阶梯型弹性梁，弥补现有技术的不足，具有结构简单、灵敏度高且维间耦合低等优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种六维力传感器的阶梯型弹性梁，包括中心台、阶梯型主梁、浮动梁、轮缘和应变片；
所述中心台为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台上有4个施力孔，力和力矩通过施力孔作用于中心台上；中心台的四个侧面与阶梯型主梁相连；
所述阶梯型主梁为4根阶梯型矩形横梁呈十字构成；所述阶梯型矩形横梁由第一级主梁、第二级主梁和第三级主梁依次组成；所述第一级主梁截面为正方形，其一端与中心台连接，另一端与第二级主梁相连；所述第二级主梁截面为正方形，其一端与第一级主梁相连，另一端与第三级主梁相连；所述第三级主梁截面为正方形，其一端与第二级主梁相连，另一端与浮动梁相连；
所述浮动梁为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；浮动梁内侧面中心与阶梯型主梁相连，两端与轮缘相连；
所述轮缘为4个扇环形柱体，其截面为扇环形；所述扇环形柱体两端都与浮动梁相连；每个扇环形柱体上设置有固定孔，用于弹性梁与外壳固定。
所述六维力传感器的测量原理在于：将24个应变片粘贴在阶梯型主梁上，形成6组惠斯通电桥，第一级主梁上3组，第二级主梁上3组。其中，Y方向阶梯型主梁上第一级主梁侧壁上对称共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第一级主梁侧壁上对称共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第一级主梁上下表面对称共4个应变片，组成测量Z方向作用力Fz的电桥电路；Y方向阶梯型主梁上第二级主梁的上下表面对称共4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第二级主梁的上下表面对称共4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第二级主梁的外侧壁上对称共4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路。当某一维度的力/力矩作用于阶梯型弹性梁中心时，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。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所设计的六维力传感器的阶梯型弹性梁结构主梁采用三级阶梯型结构，在保证传感器强度的同时，有效地提高了传感器的灵敏度。
(2)本发明所设计的六维力传感器的阶梯型弹性梁结构基于电阻应变原理，采用阶梯型主梁与薄壁式浮动梁结构，降低了维间耦合误差，提高了传感器精度。
(3)本发明所设计的六维力传感器的阶梯型弹性梁结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明的阶梯型弹性梁的结构示意图一。
图2为本发明的阶梯型弹性梁的结构示意图二。
图3为本发明的应变片贴片位置示意图。
图4为本发明中6组电桥电路示意图。
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。
如图1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阶梯型弹性梁，包括中心台1、阶梯型主梁2、浮动梁3、轮缘4和应变片7；
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的四个侧面与阶梯型主梁2相连；
所述阶梯型主梁2为4根阶梯型矩形横梁呈十字构成；所述阶梯型矩形横梁由第一级主梁21、第二级主梁22和第三级主梁23依次组成；所述第一级主梁21截面为正方形，其一端与中心台1连接，另一端与第二级主梁22相连；所述第二级主梁22截面为正方形，其一端与第一级主梁21相连，另一端与第三级主梁23相连；所述第三级主梁23截面为正方形，其一端与第二级主梁22相连，另一端与浮动梁3相连；
所述浮动梁3为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；浮动梁3内侧面中心与阶梯型主梁2相连，两端与轮缘4相连；
所述轮缘4为4个扇环形柱体，其截面为扇环形；所述扇环形柱体两端都与浮动梁3相连；每个扇环形柱体上设置有固定孔5，用于弹性梁与外壳固定；
图3所示为本发明所述共24个应变片的贴片位置及对应编号R1至R24。所有应变片除编号外完全相同，即具有相同的初始阻值，在收缩时阻值减小，在延展时阻值增大。应变片粘贴于各个主梁受力时应变最大的位置。应变片R1、R7粘贴于阶梯型主梁位于X负方向阶梯型矩形横梁的第一级主梁的上下表面，应变片R2、R8粘贴于位于Y正方向阶梯型矩形横梁的第二级主梁的上下表面，应变片R3、R9粘贴于位于X正方向阶梯型矩形横梁的第一级主梁的上下表面，应变片R4、R10粘贴于位于Y负方向阶梯型矩形横梁的第二级主梁的上下表面，应变片R5、R11粘贴于位于X正方向阶梯型矩形横梁的第二级主梁的上下表面，应变片R6、R12粘贴于位于X负方向阶梯型矩形横梁的第二级主梁的上下表面，应变片R13、R16粘贴于位于Y负方向阶梯型矩形横梁的第一级主梁的左右侧壁，应变片R14、R15粘贴于位于Y正方向阶梯型矩形横梁的第一级主梁的左右侧壁，应变片R17、R19粘贴于位于X负方向阶梯型矩形横梁的第一级主梁的左右侧壁，应变片R18、R20粘贴于位于X负方向阶梯型矩形横梁的第二级主梁的左右侧壁，应变片R21、R23粘贴于位于X正方向阶梯型矩形横梁的第一级主梁的左右侧壁，应变片R22、R24粘贴于位于X正方向阶梯型矩形横梁的第二级主梁的左右侧壁，所有应变片均粘贴于各个梁受力时应变最大的位置。
所述六维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩通过施力孔作用于弹性体中心，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。与此同时，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，ΔRFx、ΔRFy、ΔRFz、ΔRMx、ΔRMy、ΔRMz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：
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)
1.一种六维力传感器的阶梯型弹性梁，其特征在于：包括中心台、阶梯型主梁、浮动梁、轮缘和应变片；
所述中心台为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台上有4个施力孔，力和力矩通过施力孔作用于中心台上；中心台的四个侧面与阶梯型主梁相连；
所述阶梯型主梁为4根阶梯型矩形横梁呈十字构成；所述阶梯型矩形横梁由第一级主梁、第二级主梁和第三级主梁依次组成；所述第一级主梁截面为正方形，其一端与中心台连接，另一端与第二级主梁相连；所述第二级主梁截面为正方形，其一端与第一级主梁相连，另一端与第三级主梁相连；所述第三级主梁截面为正方形，其一端与第二级主梁相连，另一端与浮动梁相连；
所述浮动梁为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；浮动梁内侧面中心与阶梯型主梁相连，两端与轮缘相连；
所述轮缘为4个扇环形柱体，其截面为扇环形；所述扇环形柱体两端都与浮动梁相连；每个扇环形柱体上设置有固定孔，用于弹性梁与外壳固定。
2.根据权利要求1所述六维力传感器的阶梯型弹性梁，其特征在于：测量原理在于：将24个应变片粘贴在阶梯型主梁上，形成6组惠斯通电桥，第一级主梁上3组，第二级主梁上3组；其中，Y方向阶梯型主梁上第一级主梁侧壁上对称共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第一级主梁侧壁上对称共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第一级主梁上下表面对称共4个应变片，组成测量Z方向作用力Fz的电桥电路；Y方向阶梯型主梁上第二级主梁的上下表面对称共4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第二级主梁的上下表面对称共4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路；X方向阶梯型主梁上第二级主梁的外侧壁上对称共4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路。当某一维度的力/力矩作用于阶梯型弹性梁中心时，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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