CN1912559A - 三维小量程力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维小量程力传感器，为整体的倒“T”形结构，包括由弹性体制得的水平梁(13)和垂直梁(14)，其中，水平梁(13)上对称设有左端“H”型通孔(15)和右端“H”型通孔(16)，两个“H”型通孔上设有应变片构成第一组惠斯登电桥；垂直梁(14)上设有第一“H”型孔(17)和第二“H”型孔(18)，第一“H”型孔(17)上设有应变片构成第二组惠斯登电桥；第二“H”型通孔(18)沿X方向设于第一“H”型通孔(17)的上方，第二“H”型通孔(18)上设有应变片构成第三组惠斯登电桥。本发明的传感器体积小，结构简单，重量轻，灵敏度高，能用于测量多种动物的运动接触力，还可用于机器人手指、手腕的力参数测试。

Description

三维小量程力传感器

一、技术领域

本发明涉及一种力传感器，尤其涉及一种用于可在三维方向同步测试1.5N以下三维力的力传感器。

二、背景技术

壁虎、蜘蛛、昆虫等生物具有能够在光滑或粗糙的墙面、天花板上自如运动的能力，深入研究上述具有全空间运动能力动物的运动规律，可以为研制出能够在墙面、天花板上爬行的机器人提供理论依据。研究动物运动，动物脚掌与爬行表面之间的接触力是最重要的信息之一。可以揭示动物在复杂环境下运动的规律，为设计出能适应各种工况的机器人，提供运动机构、步态等方面的仿生力学资料。

1994年，清华大学张国华等研制双杠三维测力系统。该系统由安装在双杠四根支脚上的4个三维测力传感器、动态应变仪、7T17S数字信号处理机组成，可提供各种实时处理的测量数据及图形。经运动员实际测试，取得了比较满意的结果，可用于双杠运动员的实际训练中。传感器采用对径受压圆环结合圆柱受弯形式来测定三维力。应变片组全桥。竖直方向(z方向)量程2000N，水平方向(x、y方向)量程1000N，测力误差在5％以内。

2000年，美国学者Autumn等用二维微牛级压阻式传感器研究了大壁虎单个刚毛的粘附力，认为壁虎在零/负表面的附着力为Van der Waals力。乌克兰Gorb用二维传感器测定了蜜蜂在不同表面脚掌接触的力学规律。

2002年，合肥智能机械所孙立等设计出了一种新型的三维力传感器。考虑了传统力学量传感器的动力学性能和静态标定指标等特性，对其各维灵敏度及维间耦合系数等指标予以充分考虑。结构设计时做到了对所测维的力有较好的灵敏度，而对于非所测维力尽可能不灵敏，这样使维间耦合小，同时保证整个结构有足够的刚度。三个方向的力量程均为0～3000N。

由于壁虎、蜘蛛等动物的体重较轻，在不同的平面爬行时接触力的大小一般在几十到几百毫牛之间，上述已有的传感器从测力范围、分辨率及维数三个方面都不适合对其接触力进行检测。因此必须研制出适合测量壁虎、蜘蛛等动物脚掌接触力的三维力传感器。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种生物力学测试中使用的三维小量程力传感器，可以精确地测试壁虎、蜘蛛等动物爬行时脚掌与接触面的X、Y、Z三个方向上的接触力。

2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的三维小量程力传感器为整体的倒“T”形结构，包括由弹性体制得的水平梁和垂直梁。其中，水平梁左端沿Y方向开有一个左端“H”型通孔，右端沿Y方向开有一个右端“H”型通孔。左端“H”型通孔和右端“H”型通孔对称设置。左端“H”型孔的左端上下壁的外表面各贴一片应变片，右端“H”型孔的右端上下壁的外表面各贴一片应变片，这四片应变片构成第一组惠斯登电桥。垂直梁上设有两个“H”型通孔第一“H”型孔和第二“H”型孔。其中，第一“H”型通孔沿Y方向设于垂直梁上靠近水平梁的底部，第一“H”型通孔下端左右壁的外表面各贴两片应变片，这四个应变片组成第二组惠斯登电桥；第二“H”型通孔沿X方向设于第一“H”型通孔的上方，在第二“H”型通孔的下端前后壁的外表面各贴两片应变片，这四个应变片组成第三组惠斯登电桥。上述各通孔是沿其深度方向分别沿X、Y、Z三个方向设置，各应变片贴附于各“H”型通孔相应位置的梁的薄壁的外表面；水平梁和垂直梁的弹性体材料采用硬铝合金。

垂直梁上的第二“H”型通孔的上方设有腰形孔，以减轻垂直梁的自身重量，减小对量测结果的影响。

水平梁的一端设有接线柱，用于连接从应变片引出的导线，该接线柱与水平梁为整体结构，接线柱可根据实际需要设于右端或左端。

水平梁上的左端“H”型通孔和右端“H”型通孔两端的间距为35mm-42mm，垂直梁上的第一“H”型通孔的下端与水平梁上表面的距离为2mm-6mm，第二“H”型通孔的下端与第一“H”型通孔的上端的距离为3mm-6mm。

当在垂直梁顶部受到沿Z方向的力时，通过水平梁上的一组应变片可以测出Z方向作用力的大小；当在垂直梁顶部受到沿X方向的力时，通过垂直梁靠近水平梁的第一“H”型孔上的一组应变片可以测出所受X方向作用力的大小；当在垂直梁顶部受到沿Y方向的作用力时，通过垂直梁上的第二“H”型孔上的一组应变片可以测出Y方向作用力的大小。

3、有益效果：本发明的三维小量程力传感器适合于测量壁虎、蜘蛛等动物爬行时脚掌接触力，还可用于机器人手指、手腕的力参数测试。这种结构利用了应力集中，在不减弱弹性体刚度的条件下，可以测得较大应变的原理，同时消除了测力点位置的改变对Z方向力测量的影响，符合试验的要求。经测试，该三维力传感器的量程为0～1.5N，分辨率为1mN，维间耦合影响小于0.15％。

四、附图说明

图1是本发明的主剖视图；

图2是本发明的左视剖视图；

图3是检测电路组成框图。

图1的标号名称：1、2、3、4为测Y方向力应变片，5、6、7、8为测Z方向力应变片，15、16、17为“H”型孔，13为水平梁弹性体，14为垂直梁弹性体，19为腰型通孔，20为接线柱；

图2的标号名称：9、10、11、12为测沿X方向力应变片，18为“H”型孔。

五、具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例的三维小量程力传感器为整体的倒“T”形结构，包括由弹性体制得的水平梁13和垂直梁14。其中，水平梁13左端沿Y方向开有一个左端“H”型通孔15，右端沿Y方向开有一个右端“H”型通孔16。左端“H”型通孔15和右端“H”型通孔16对称设置，左端“H”型孔15的左端上下壁的外表面各贴一片应变片5、7，右端“H”型孔16的右端上下壁的外表面各贴一片应变片6、8，应变片5、7、6、8构成第一组惠斯登电桥；垂直梁14上设有两个“H”型通孔第一“H”型孔17和第二“H”型孔18，其中，第一“H”型通孔17沿Y方向设于垂直梁14底部靠近水平梁13，第一“H”型通孔17下端左右壁的外表面各贴两片应变片9、11和10、12，应变片9、11、10、12组成第二组惠斯登电桥；第二“H”型通孔18沿X方向设于第一“H”型通孔17的上方，在第二“H”型通孔18的下端前后壁的外表面各贴两片应变片1、3和2、4，应变片1、3、2、4组成第三组惠斯登电桥。水平梁13和垂直梁14的弹性体材料为硬铝合金。

垂直梁14上第二“H”型通孔18的上方设有腰形孔19。

水平梁13的右端设有接线柱20，用于连接从应变片引出的导线。

水平梁上的左端“H”型通孔15和右端“H”型通孔16两端的间距为40mm，垂直梁上的第一“H”型通孔17的下端与水平梁上表面的距离为3mm，第二“H”型通孔的下端与第一“H”型通孔的上端的距离为3mm。

当在垂直梁14顶部作用Z方向力时，水平梁13两端“H”型孔处产生较大的应变，通过第一组惠斯登电桥的一组应变片5、6、7、8可测量两孔之间的应变差，即可得到Z方向力的大小；当在垂直梁14顶部作用X方向力时，通过垂直梁14上第一“H”型孔17相应的第二组惠斯登电桥的应变片9、10、11、12可以测出X方向力的大小；当在垂直梁14顶部作用Y方向力时，通过垂直梁14上第二“H”型孔18相应的第三组惠斯登电桥的一组应变片1、2、3、4可以测出Y方向力的大小。

三维小量程力传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化的输出，采用图3所示的应变片桥式电路。电路中的Rx(Rx₁～Rx₂)为应变片电阻，应变片Rx的供电电压U由直流开关电源提供。

Claims (3)

1、一种三维小量程力传感器，其特征在于，为整体的倒“T”形结构，包括由弹性体制得的水平梁(13)和垂直梁(14)，其中，水平梁(13)左端沿Y方向开有一个左端“H”型通孔(15)，右端沿Y方向开有一个右端“H”型通孔(16)，左端“H”型通孔(15)和右端“H”型通孔(16)对称设置，左端“H”型孔(15)的左端上下壁的外表面各贴一片应变片(5、7)，右端“H”型孔(16)的右端上下壁的外表面各贴一片应变片(6、8)，应变片(5、7、6、8)构成第一组惠斯登电桥；垂直梁(14)上设有两个“H”型通孔第一“H”型孔(17)和第二“H”型孔(18)，其中，第一“H”型通孔(17)沿Y方向设于垂直梁(14)底部靠近水平梁(13)，第一“H”型通孔(17)下端左右壁的外表面各贴两片应变片(9、11)和(10、12)，应变片(9、11、10、12)组成第二组惠斯登电桥；第二“H”型通孔(18)沿X方向设于第一“H”型通孔(17)的上方，在第二“H”型通孔(18)的下端前后壁的外表面各贴两片应变片(1、3)和(2、4)，应变片(1、3、2、4)组成第三组惠斯登电桥。

2、如权利要求1所述的三维小量程力传感器，其特征在于，垂直梁(14)第二“H”型通孔(18)的上方设有腰形孔(19)。

3、如权利要求1所述的三维小量程力传感器，其特征在于，水平梁(13)的一端设有接线柱(20)，用于连接从应变片引出的导线。

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