CN1289917A - 一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于同时获取全力信息的小量程、小尺寸六维力传感器,主要应用于机器人学相关研究和需要进行全力信息获取的场合。该传感器利用厚膜技术,以陶瓷材料的十字梁连接双E型膜片组成传感器的弹性体结构,在陶瓷基体上烧结厚膜力敏电阻,通过特殊的组桥方式和解耦实现对三维力和三维力矩的同时测量。本发明还可拓展至用其它弹性材料的应变式六维力传感器或装置的设计与实现。

Description

一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器

本发明涉及机器人学中的多指灵巧手、微驱动操作系统智能控制以及虚拟现实或临场感等技术领域，特别涉及一种能够同时实现对六维力信息获取的传感器，以及通过解耦同时实现对三维力和三维力矩信息独立获取的技术。

自八十年代初各国开始对机器人腕力或称六维力传感器开展研究，近年来，美国Assurance Tec．公司生产出小型化六维力传感器：Nano和Mini型，前者外径17mm，后者为40mm。但其量程均较大，而关于小量程至数牛顿级的产品和研究没有报导。从结构上来说，目前广泛采用的是十字梁与浮动梁合成形式，形成复杂的机械结构和粘贴应变片方式，加工实现复杂，无法实现小尺寸结构，并且各个方向之间存在强耦合的情况。

专利EP0381187A2(G01L1／20)提出了一种采用压阻元件实现对三维力或三维力矩的传感器，从结构上来看，是平面单E型膜结构，工艺上采用硅材料以微电子方法实现的，虽然克服了专利EP0333872A1(G01L1／18)所提到的三维力传感器灵敏度不一致、粘接等缺点，但是两种方式对灵敏度和量程控制均非常复杂，实现成本也很高。另一突出的问题是EP0333872A1和EP0381187A2只能实现对三维力或三维力矩的测量，EP0333872A1可以同时获取其中的两个量，EP0381187A2可以同时获取其中的四个量，不能够同时实现对三维力和三维力矩六维信息的获取。

力觉传感器是机器人最重要的传感器之一，六维力传感器则是能获取全力信息的最具代表性的力觉传感器。而对于机器人学中日趋活跃的微驱动操作技术、多指灵巧手及临场感技术等研究中又迫切需要小尺寸和小量程的六维力传感器。

本发明的目的在于提供一种新型结构的，可以有效获取全力信息的力觉传感器，以满足上述研究领域的应用需要。

本发明的技术方案是：一种十字梁连接双E型圆膜结构的六维力传感器，包括底座(1)、下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)、加载连结板(5)、上金属圆片(6)、下金属圆片(7)，它们共同构成本发明的双E型膜十字梁结构的六维力传感器，其特征在于：

十字梁(3)对接在上金属圆片(6)和下金属圆片(7)的十字槽中并固定其中间，上金属圆片(6)的上面与上E型圆膜片(4)连接，在上E型圆膜片(4)的上面安装有加载连结板(5)，通过加载连结板(5)与外加载荷连接在一起；

下金属圆片(7)的下面与下E型圆膜片(2)连接，在下E型圆膜片(2)的下面连接底座(1)；

所述的下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)的材料为97％的Al₂O₃烧结体陶瓷。

这种立体结构可以将力Fx、Fy测量与力矩Mx、My测量分别置于两个E型膜片上，底座(1)和加载连接板(5)方便于基座与负载之间的初械连接。

本发明还提供一种用于同时获取三维力和三维力矩信息的六维力方法，其特征在于：下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)上烧结有钌系厚膜力敏电阻。上下E型圆膜片2、4和十字梁3的敏感面内的厚膜力敏电阻均以对称方式布置。上述各单元中的厚膜力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六维力信息的获取，并通过解耦消除相互之间的耦合，同时实现三维力和三维力矩的全力信息获取；

X、Y方向力矩信息获取敏感桥路采用在上E型圆膜片(4)平面内互相垂直布置，其厚膜力敏电阻布置位置方向与下E型圆膜片(2)相同，其中：

上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力矩Mx的测量；

上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力矩My的测量；

十字梁(3)上的四个厚膜电阻布置在同一梁平面内，并采用沿上下、左右对称轴对称布置，用来获取力矩Mz的信息；

下E型圆膜片(2)、和上E型圆膜片(4)的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y在下E型圆膜片(2)平面内互相垂直布置，Z方向力信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圆膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中：

下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力Fx的测量；

下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力Fy的测量；

下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对力Fz的测量；

上E型圆膜片(2)敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对力Fz的冗余信息；

所述的六维力传感器结构和敏感桥路布置方式，可以通过改变敏感元件位置或弹性体结构尺寸，实现传感器的各个方向输出灵敏度调整和量程改变，能满足不同量程和不同灵敏度要求的六维力传感器和六维力装置的实际需要；

通过选择金属弹性体材料加工成十字梁连接的双E型圆膜结构，同样可以制造出本发明所表述的应变式六维力信息获取的传感器或装置；

所述的十字梁(3)与双E型膜片(2)、(4)还可以采用整体加工形式的一体化结构，通过改变十字梁(3)的高度、宽度和厚度，以及上下E型膜片(2)、(4)不同的几何尺寸实现对传感器六个力分量的灵敏度独立调控，在不影响检测精度前提下，使传感器满足不同应用场合的量程要求。

本发明的有益效果是：

通过采用厚膜工艺在以陶瓷为弹性体材料的双E型膜片及十字梁上烧结敏感元件实现对六维全力信息的获取，这种结构、工艺和信号获取方法容易实现从微小型化尺寸到大尺寸的各种不同量程六维力传感器的设计，并可以通过改变膜片和梁的厚度、尺寸等结构参数实现对传感器各个方向的灵敏度调整，以满足不同场合下机器人全力感知系统的使用要求。

本发明采用的十字梁连接的双E型膜结构，可以实现对三维力和三维力矩信息的同时获取，解决了以力矩形式获取力信息和获取力矩信息之间的矛盾，克服了目前六维力传感器的强耦合问题。

本发明采用连接双E型膜的十字梁，其水平和垂直方向上的钢度远大于其绕Z轴扭转钢度，因此既是本发明的双E型膜的联结和力传递构件，同时又是获取Mz力矩信息的敏感弹性体。这种独立的十字梁结构克服了Mz力矩与其他方向力和力矩之间的相互干扰问题，并且通过改变十字梁的结构尺寸容易实现灵敏度的调整，克服了目前一些专利中Mz的刚度与其他方向刚度相互制约而产生的不均衡问题，因此本发明有较大的设计调整空间和灵活性。

本发明特别对目前机器人学研究中日趋活跃的微驱动操作技术、多指灵巧手及临场感技术研究中迫切需要小尺寸和小量程的六维力传感器有十分重要的意义。其结构尺寸的调整和敏感单元布置位置的改变，以及弹性体的改变可以实现不同灵敏度和不同量程的六维力传感器或六维力装置的需要。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明的外形结构剖面示意图。

图2为本发明的立体结构示意图。

图3为金属圆片结构尺寸剖面图。

图4为上下E型圆膜片上敏感电阻布置位置示意图。

图5为中间十字梁陶瓷上敏感电阻布置位置示意图。

图6为传感器受到力Fx、Fy、Fz作用下E型圆膜片应变图。

图7为传感器受到力矩Mx、My、作用下的E型圆膜片应变图。

图8为传感器受到力矩Mz作用下的应变立体示意图和敏感平面应变图。

图1为本发明的外形结构剖面示意图。两个E型圆膜片2、4通过中间陶瓷十字梁3固接在一起，十字梁和E型圆膜片之间通过固接在两圆膜片上的金属圆片6、7上的十字槽连接。

整个六维力传感器的坐标是以上E型圆膜片4的表面中心O为基准，金属圆片6、7的固定同样是以O为圆心，并且十字槽的宽度等于十字梁3的厚度，方向与下E型圆膜片2和上E型圆膜片4上的敏感电阻方向一致。其中E型圆膜片外径与加载联结板5、基座1外径相同，例如外径都可以选择φ18mm，加载联结板5和基座1选择铝合金材料或其他金属材料。

连接E型圆膜片2、4和十字梁3的铝合金圆片6、7外径为φ6mm，相对陶瓷膜片粘贴的面上加工宽度为0．2～0．5mm的十字沟槽，沟槽的宽度与陶瓷十字梁3厚度相同，以保证相互之间无间隙配合，陶瓷十字梁3的宽度为6mm，与金属圆片6、7的外径相同，十字梁高度选择为4～12mm。

图2为传感器的外形立体示意图，其表示本传感器空间坐标及对三维力和三维力矩定义，O为空间坐标中心，其位置在上E型圆膜片4的中心。

图1、2中上E型圆膜片4和金属圆片6之间是通过树脂类胶固接在一起，上下E型圆膜片结构形状对称。对于采用金属弹性体结构这种形式的较大量程六维力传感器，上、下金属圆片6、7和十字梁3、上下圆膜片可加工成整体结构形式。

金属圆片6和7的结构形状如图3所示。其与十字梁固接的一面中间加工有十字槽以方便与十字梁之间的连接。

图4和图5为上、下E型圆膜片2、4和十字梁3陶瓷上烧结电阻位置示意图。图4表示上、下E型膜片敏感面上电阻位置图，其中：

下E型圆膜片2敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力Fx的测量；

下E型圆膜片2敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力Fy的测量；

下E型圆膜片2敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对力Fz的测量；

上E型圆膜片4敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力矩Mx的测量；

上E型圆膜片4敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力矩My的测量。

上E型圆膜片2敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z可以提供一路对力Fz的冗余信息。

上下E型圆膜片2、4敏感面内的24个电阻按照图5所示位置对称布置，每个膜片的中间6个电阻位于相对圆心直径为φ6，且每个电阻离圆心距离相等。

图5表示陶瓷十字梁3上的一个敏感面内厚膜电阻烧结位置示意图，图中的电阻R1、R2、R3、R4用来实现对力矩Mz的测量，四个电阻按照图中位置对称布置。特征是：力敏电阻尽量远离对称轴，电阻的方向与十字梁矩形平面的对角线一致。

图6为传感器在三种不同的受力情况下的应变情况剖视图。图6中A表示传感器在如图所示平面内受到力Fx的作用，由于力作用平面在上E型圆膜片4上，上E型圆膜片4上的电阻R1x、R2x、R3x、R4x都不发生变化，下E型圆膜片2产生如图所示的变形，下E型圆膜片2上的电阻R1x、R2x、R3x、R4x组成的桥路有输出，输出信号与所加力Fx满足函数关系，通过输出的值得到所加力大小，而膜片上的其他电阻阻值不发生变化，也就不产生输出。

对于Y方向来说，输入输出及传感器受力变形与X方向相同。

图6B表示沿Y方向加力Fy的传感器膜片变形情况。

图6C中表示的是传感器受到如图所示的力F作用时变形，其方向与Z方向一致。由于上下E型膜片2、4上的R1z、R2z、R3z，、R4z都发生变化，其组成的电桥输出与所加力大小满足一定函数关系，可以通过输出的值得到力Fz的大小，实现对z向力的测量，实际使用中采用下敏感面电桥输出，上敏感面电桥输出作为冗余信息。

图7为传感器受到力矩Mx、My作用下的E型圆膜片应变图。

图7A为传感器受到Mx力矩时的变形剖视图，力Fy作用平面偏离基准平面一段距离，使得上下E型膜片2、4产生如图所示的变形。

传感器上敏感面上的电阻R1y、R2y、R3y、R4y都产生变化，两组桥路都会产生输出，其中下E型圆膜片2桥路的输出反映力Fy的大小，上E型圆膜片4桥路的输出反映由于Fy产生的力矩Mx大小，力矩Mx的大小实际值为力Fy和偏离基准平面距离的乘积。

图7B表示当传感器受到My力矩作用时变形情况，所产生的效果与Mx力矩情况相同。如图7B所示，力Fx作用在如图所示平面内，将产生一力矩My和Fx，其大小与传感器电阻变化产生的输出满足固定的函数关系。在这两种情况下，理论上其它路桥路电阻没有变化。

图8为传感器受到力矩Mz作用下的应变立体示意图和敏感平面应变图。

图8表示传感器受到力矩作用下中间十字梁3的变形情况，图中8(A)表示十字梁的敏感面应变情况，图8(B)表示受到图(A)同样的力矩情况下应变立体图。在如图所示的力矩作用下，电阻R1、R4受到拉应力，R2、R3受到压应力，通过特定的电桥即输出一与所加力矩Mz成函数关系的输出信号，从而可以实现对力矩Mz的测量，并且在这种情况下，其它桥路没有信号输出。

实施例：本发明采用厚膜工艺，用丝网印刷技术将力敏电阻浆料和导电体浆料印刷在E型圆膜片和十字梁的陶瓷基体特定位置上，经烧结形成24个厚膜应变电阻，构成六组分别获取六维力信息的桥路。为了实现小量程和高灵敏度的测量，E型圆膜片厚度采用0．2～0．4mm，十字梁的厚度采用0．2～0．4mm。当采用金属作为弹性体时，上下E型和中间十字梁可以加工成为一体化结构，根据前面所述的敏感单元布置方式通过贴应变片电阻的方式实现对三维力三维力矩信息的获取，这种方式各个方向量程和灵敏度的调整可以通过改变上下E型膜或中间十字梁部分的结构尺寸来实现，这样本发明不仅可以应用于需要小量程、高灵敏度的六维力传感器或六维力装置中，也可以应用于大量程的六维力传感器或六维力测试装置中。

为了实现上述的结构，本发明加工制造方法包括下述的几个步骤：首先分别加工两个圆形陶瓷膜片2、4和陶瓷十字梁3，在上面预定位置烧结好厚膜力敏电阻；其次加工两个直径φ6mm、厚度为2mm的金属圆片6、7，在合金圆片一个侧面中间加工一个十字沟槽，再将金属圆片6、7无沟槽面粘贴在陶瓷圆膜片非敏感面的中心位置，同时保证金属圆片6、7的十字沟槽与E型膜片的敏感方向一致；最后将陶瓷十字梁3对接在两个金属圆片6、7的十字沟槽中并固定。

为了方便电桥供电输入和信号输出引线连接，在每个E型圆膜片的边缘上烧结银引线焊点，引线按照预定的敏感桥路布置和信号获取方式将厚膜电阻连接在一起，在每个E型圆膜片与十字梁固定在一起之前，首先分别将每个膜片上的输入输出引线焊接在E型圆膜片的银焊点内边缘。外引线在传感器上下E型圆膜片固定后焊接在下E型圆膜片的外边缘提供给外接变送器。

通过采用厚膜工艺在以陶瓷为弹性体材料的双E型膜片及十字梁上烧结敏感元件实现对六维全力信息的获取。采用本发明这种结构、工艺和信号获取的方法，可方便地实现从微小型化尺寸到大尺寸的各种不同量程的六维力传感器的设计与实现，以满足不同场合下机器人全力感知系统的要求。

采用本发明所述的十字梁连接双E型膜结构后，将不存在专利EP0381187A2(G01L1／20)对力Fx、Fy与力矩Mx、My难以实现同时测量的矛盾，并且本发明通过改变上下双E型膜的结构尺寸和敏感单元位置，可以很方便地实现对传感器Fx、Fy、Fz、Mx、My的量程和灵敏度调整。

在前面所述的结构中，十字梁(3)其水平和垂直方向上的刚度远大于其绕Z轴的扭转刚度，因此，既可作为上下双E型膜的联接体和力传递构件，又是获取Mz信息的敏感弹性体，且实际的输出信号与输入力负载之间线性优良，其他的力分量对其理论上没有影响，实测中的耦合干扰极小。通过十字梁尺寸的变化也可以很方便地调整Fx，Fy和Mz力信息获取的量程和灵敏度，克服了目前其他有关六维力传感器专利(如EP0381187A2)中Mz方向的刚度与其他方向刚度差异较大而引起各力分量灵敏度之间差异较大的问题。

以上所述的十字梁连接的双E型膜结构的六维全力传感器及其信号获取方式中所述的敏感单元是通过厚膜工艺实现，各种参数调整和工艺实现十分方便。

该传感器的结构和敏感桥路布置方式可适用于金属弹性体的应变式六维力传感器或获取六维力信息的装置，并可适用于不同尺寸和量程要求的六维力传感器或装置。

Claims (3)

1．一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器，包括底座(1)下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)、加载连结板(5)、上金属圆片(6)、下金属圆片(7)，其特征在于：

六维力传感器是十字梁连接的双E型圆膜结构，其中十字梁(3)对接在上金属圆片(6)和下金属圆片(7)的十字槽中并固定于其中间，上金属圆片(6)的上面与上E型圆膜片(4)连接，在上E型圆膜片(4)的上面安装有加载连结板(5)，通过加载连结板(5)与外加载荷连接在一起；

下金属圆片(7)的下面与下E型圆膜片(2)连接，在下E型圆膜片(2)的下面连接传感器底座(1)；

所述的下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)的材料为97％的AL₂O₃烧结体陶瓷。

2．一种用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩六维力信息的方法，其特征在于：

下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)上烧结有钌系厚膜力敏电阻，上下双E型圆膜片(2)、(4)敏感面内的厚膜力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六维力信息的获取，并通过标定求出维间耦合关系，对六组桥路输出解耦处理实现三维力和三维力矩的全力信息同时获取；

X、Y方向力矩信息获取的敏感桥路采用在上E型圆膜片(4)平面内互相垂直布置，其厚膜力敏电阻布置方向与下E型圆膜片(2)相同，其中：

上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力矩Mx的测量；

上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力矩My的测量；

十字梁(3)上的四个厚膜电阻布置在同一梁平面内，并采用沿上下、左右对称轴对称布置，用来获取力矩Mz的信息；

下E型圆膜片(2)、和上E型圆膜片(4)的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y采用在下E型圆膜片(2)平面内互相垂直布置，Z方向力信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圆膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中：

下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力Fx的测量；

下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力Fy的测量；

下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对力Fz的测量；

上E型圆膜片(2)敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对力Fz的冗余信息；

3．根据权利要求书1或2所述的六维力传感器，其特征在于：

A．所述的六维力传感器结构和敏感桥路布置方式，可以通过改变敏感元件位置或弹性体结构尺寸，实现传感器的各个方向输出灵敏度调整和量程改变能满足不同量程和不同灵敏度要求的六维力传感器和六维力装置的实际需要；

通过选择金属弹性体材料加工成十字梁连接的双E型圆膜结构，同样可以制造出本发明所表述的应变式六维力信息获取的传感器或装置；

B．所述的十字梁(3)与双E型膜片(2)、(4)还可以采用整体加工形式的一体化结构，通过改变十字梁(3)的高度、宽度和厚度，以及上下E型膜片(2)、(4)不同的几何尺寸实现对传感器六个力分量的灵敏度独立调控，在不影响检测精度前提下，使传感器满足不同应用场合的量程要求。

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