CN1220037C - 微型全平面六维力、力矩传感器 - Google Patents

Abstract

微型全平面六维力、力矩传感器，它涉及一种能够感知力的传感器。它是扁平盘形结构，它由中心体、围绕在中心体四周的三个互呈60度角的外圈梁、呈径向设置在外圈梁内的三个互呈120度角的内圈梁、以及应变片组成，三个外圈梁分别由两个薄片形的应变梁组成，三个内圈梁的内端与中心体相连接，三个内圈梁的外端分别连接在两个外圈梁之间的交接处，中心体、外圈梁和内圈梁连接成一体结构，在每个外圈梁和内圈梁上分别设有应变片。它能够实现同时对任意空间三维力矩Mx、My、Mz和三维力Fx、Fy、Fz的测量，适用于微机械加工，它是体积小精度高的传感器，可用于第二代仿人机器人灵巧手的指尖，提高整个机器人系统的智能程度。

Description

微型全平面六维力、力矩传感器

技术领域：

本发明涉及一种传感器，特别是一种能够感知力的传感器。

背景技术：

智能机器人的首要标志是具有感知功能，而力的感觉是机器人在操作过程中一个重要的信息。它用来检测机器人操作手与外部环境相互接触或抓取工件时所承受的力和力矩，为机器人的力控制和柔顺性控制提供力感信息，从而完成比较复杂和精细的作业。二十世纪七十年代各国纷纷开始多维力的研究工作，目前比较大的公司有Load、JR³和API等生产六维力/力矩传感器，传感器的结构形式也有所不同，大部分体积比较大并基于十字梁结构，生产小型传感器的API公司没有公布其传感器的结构。国内方面，上世纪八十年代末各个研究机构和高等院校也开始了这项研究工作，比较有代表性的是中国科学院合肥智能机械研究所和哈尔滨工业大学等。用于机器人手腕的腕力传感器体积较大，因此从贴应变片到微处理电路可用空间都比较宽松。随着微小型机器人、仿人机器人灵巧手和机器人用于医疗的最小阵疼手术的出现，对多维力/力矩传感器的微型化提出了更高的要求，适合为微型多维力传感器的弹性体很少，能够留有空间将处理电路也集成传感器里的结构更是没有。因此，微型力/力矩传感器的研究得到了国际上的高度重视。由于传感器体积很小，所以对传感器弹性体的优化设计、信号调理电路和模数转换电路、应变片的选择和粘贴、六维信号的解耦等都提出了严峻的挑战。目前，日本、美国有类似微型传感器出现，但造价昂贵。中科院合肥智能机械研究所研究出3维微型力传感器、燕山大学也利用并联机构的原理研究出6维力/力矩传感器。多维力传感器弹性体结构一般分为两大类，即直接输出型(无耦合型)和间接输出型(耦合型)。直接输出型多维力传感器输出力向量的多个分量直接由应变桥或根据结构常数通过简单的计算获取。设计原理是在力学分析的基础上，设计出无耦合作用的弹性体。其典型代表是由美国IBM公司1975年设计的一种积木式结构。该弹性体由八个弹性元和8个连接块组合而成。每个弹性元上粘贴4片应变片，并连接成一个应变桥。8个应变桥提供8路检测信号，然后根据这8路检测信号和有关结构常数计算出6个独立力分量。而耦合式弹性体的结构比较多，如并联机构的6维力/力矩传感器的，各个力的量需要根据每个应变柱上的应变根据运动学求解得到，从精度上要低。

发明内容：

本发明提供一种微型全平面六维力、力矩传感器，它能够实现同时对任意空间三维力矩Mx、My、Mz和三维力Fx、Fy、Fz的测量，它是平面型结构，可以适用于微机械加工，它是体积小精度高的传感器，可用于第二代仿人机器人灵巧手的指尖，提高整个机器人系统的智能程度。本发明的微型全平面六维力、力矩传感器是扁平盘形结构，它由中心体1、围绕在中心体1四周的三个互呈60度角的外圈梁2、呈径向设置在外圈梁2内的三个互呈120度角的内圈梁3、以及应变片4组成，三个外圈梁2分别由两个薄片形的应变梁组成，三个内圈梁3的内端与中心体1相连接，三个内圈梁3的外端分别连接在两个外圈梁2之间的交接处，中心体1、外圈梁2和内圈梁3连接成一体结构，在每个外圈梁2和内圈梁3上分别设有应变片4。三个外圈梁2分别是薄壁应变梁(L₂₁，L₂₂；L₃₁，L₃₂；L₄₁，L₄₂)；三个内圈梁3分别是薄壁应变梁L₅、L₆、L₇，在应变梁L₂₁、L₂₂、L₃₁、L₃₂、L₄₁、L₄₂、L₅、L₆、L₇上分别产生对应应变ε₂₁、ε₂₂、ε₃₁、ε₃₂、ε₄₁、ε₄₂、ε₅、ε₆、ε₇。在以上梁上分别贴有应变片。中心体1上的三个内安装孔8用于和外部(可以是基座)相连，外圈梁2上的三个内安装孔11用于和外部(可以是施加力部分)相连。当通过孔11来传递外力，根据力和力矩方向的不同，应变梁L₂₁、L₂₂、L₃₁、L₃₂、L₄₁、L₄₂、L₅、L₆、L₇上分别产生对应应变ε₂₁、ε₂₂、ε₃₁、ε₃₂、ε₄₁、ε₄₂、ε₅、ε₆、ε₇也有所不同。当Fz力作用时，三个内应变梁有较大的应变，而应变梁L₂₁、L₂₂、L₃₁、L₃₂、L₄₁、L₄₂、L₅、L₆、L₇应变较小；当Mz力距作用时，只有外圈梁2有微应变输出。当整个传感器受外力作用时，部分应变梁产生变形，可根据变化值测量Fx、Fy、Mx和My。传感器的输出分量有耦合，通过解耦矩阵可以进行解耦。测量量与应变关系见下面公式，结构见图1。

$\mathrm{Fx}=\frac{k_1}{2}({\mathrm{\ϵ}}_6,{\mathrm{\ϵ}}_7)$

$\mathrm{Fy}=k_2({\mathrm{\ϵ}}_5,\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ϵ}}_6}{2},\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ϵ}}_7}{2})$

Fz＝k₃[ε₅，ε₆，ε₇，(ε₄₂+ε₂₁)，(ε₂₂+ε₃₁)，(ε₃₂+ε₄₁)]

Mx＝k₄[ε₅，ε₆，ε₇，(ε₄₂+ε₂₁)，ε₂₂，ε₄₁]

$\mathrm{My}=k_5[{\mathrm{\ϵ}}_5,\frac{{\mathrm{\ϵ}}_6}{2},\frac{{\mathrm{\ϵ}}_7}{2},({\mathrm{\ϵ}}_{42}+{\mathrm{\ϵ}}_{21}),({\mathrm{\ϵ}}_{22}+{\mathrm{\ϵ}}_{31}),({\mathrm{\ϵ}}_{32}+{\mathrm{\ϵ}}_{41})]$

Mz＝k₆(ε₅，ε₆，ε₇)

本发明创造首先为实现多维力/力矩传感器的微加工制造提供可能，而采用微加工工艺制造的传感器可以减小传感器尺寸，避免手工贴片带来的传感器精度误差及不稳定性。其次，本发明创造的微型多维力/力矩传感器可以应用在机器人领域，增加机器人整体系统的感知功能，为机器人手的手指操作拟人化提供可能。再者，本发明创造可以应用到微操作如细胞操作等精细作业中，也可以应用于医疗上的微痛手术中。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

本实施方式的微型全平面六维力、力矩传感器是扁平盘形结构，它由中心体1、围绕在中心体1四周的三个互呈60度角的外圈梁2、呈径向设置在外圈梁2内的三个互呈120度角的内圈梁3、以及应变片4组成，三个外圈梁2分别由两个薄片形的应变梁组成，三个内圈梁3的内端与中心体1相连接，三个内圈梁3的外端分别连接在两个外圈梁2之间的交接处，中心体1、外圈梁2和内圈梁3连接成一体结构，在每个外圈梁2和内圈梁3上分别设有应变片4。三个外圈梁2分别由三对上薄壁应变梁、下薄壁应变梁(L₂₁，L₂₂；L₃₁，L₃₂；L₄₁，L₄₂)组成，每一组上薄壁应变梁和下薄壁应变梁之间通过竖向设置的立筋5连成一体结构。在中心体1上有三个内安装孔8，在每个外圈梁2上各有一个内安装孔11。本实施方式根据此弹性体结构研制机器人手指尖传感器，底部直径可做成19mm，外圈梁2部分可设计厚度为0.35mm，梁的宽度为3mm，长度为40mm，内圈梁3部分可设计厚度为0.2mm，梁的宽度为1.6mm，长度为21mm，基座高度为3mm。可测量力为3kg，力矩为0.2N·M。

Claims (4)

1、微型全平面六维力、力矩传感器，其特征在于它是扁平盘形结构，它由中心体(1)、围绕在中心体(1)四周的三个互呈60度角的外圈梁(2)、呈径向设置在外圈梁(2)内的三个互呈120度角的内圈梁(3)、以及应变片(4)组成，三个外圈梁(2)分别由两个薄片形的应变梁组成，三个内圈梁(3)的内端与中心体(1)相连接，三个内圈梁(3)的外端分别连接在两个外圈梁(2)之间的交接处，中心体(1)、外圈梁(2)和内圈梁(3)连接成一体结构，在每个外圈梁(2)和内圈梁(3)上分别设有应变片(4)。

2、根据权利要求1所述的微型全平面六维力、力矩传感器，其特征在于三个外圈梁(2)分别由三对上薄壁应变梁、下薄壁应变梁(L₂₁，L₂₂；L₃₁，L₃₂；L₄₁，L₄₂)组成，每一组上薄壁应变梁和下薄壁应变梁之间通过竖向设置的立筋(5)连成一体结构。

3、根据权利要求1所述的微型全平面六维力、力矩传感器，其特征在于在中心体(1)上有三个内安装孔(8)。

4、根据权利要求1所述的微型全平面六维力、力矩传感器，其特征在于在每个外圈梁(2)上各有一个内安装孔(11)。