CN205449351U - 一种小型三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型三维力传感器，包括X、Y向弹性体、Z向弹性体、保护壳体和X、Y、Z向应变敏感单元，X、Y、Z向弹性体上设有应变敏感单元，X、Y、Z向弹性体从结构上进行物理解耦，X向、Y向和Z向应变敏感单元相互垂直设置，且X向、Y向、Z向应变敏感单元为等距离设置，X、Y向弹性体位于Z向弹性体上部，X、Y向弹性体和Z向弹性体外部设有保护壳体。本实用新型具有体积小、质量轻、精度高等优点，适用于工业智能机器人手指三维力学测量，从而拓展了力传感器的应用范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于机器人、测量仪器及航空航天等方面的传感器领域，尤其是涉及机器人灵巧手控制及指尖力学测量的三维力传感器。
背景技术
机器人灵巧手或者手指是一种智能型通用机械手，其外形类似于人手，在机器人工作时，需要在手指上安装指尖力传感器来检测灵巧手或者手抓取物体时的握力、检测被抓物体的重量以及判断在抓取操作过程中是否存在滑动、振动等现象。三维力传感器安装在灵巧手或者手指的指尖上，能够实时地检测机器人工作时各手指的三维力信息Fx,Fy,Fz的大小，供机器人操作时使用。
在现有技术中有多种结构的三维力传感器，其采用的是十字梁型和圆膜片型组合测量的方式。现有技术中，常见三维力传感器都采用剪辐式、悬臂梁式、平行梁式和鼓膜结构。大多数的结构尺寸过大，量程高，不满足于机器手手指的小尺寸、低量程的测力需要。并且产品维间耦合严重，综合精度低于3％，只能靠后期软件解耦方式进行耦合消除，增加了大量成本。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有三维力传感器产品尺寸大、精度低，维间耦合严重的技术难题，提供一种体积小、质量轻、解耦性能好、可靠性高的小型三维力传感器。
本实用新型技术方案如下：一种小型三维力传感器,包括X、Y向弹性体(2)、Z向弹性体(3)、保护壳体(4)、X、Y、Z向应变敏感单元(5、6、7)，X、Y向弹性体(2)四周设有X向应变敏感单元(5)和Y向应变敏感单元(6)，Z向弹性体(3)上设有Z向应变敏感单元(7)，X、Y向弹性体(2)位于Z向弹性体(3)上部，X、Y、Z向弹性体(2、3)从结构上进行物理解耦，X向、Y向和Z向应变敏感单元(5、6、7)相互垂直设置，且X向、Y向、Z向应变敏感单元(5、6、7)为等距离设置，X、Y向弹性体(2)和Z向弹性体(3)外部设有保护壳体(4)。
X、Y、Z向弹性体(2、3)结构均采用悬臂型双孔平行梁结构，属于利用弯曲应力的正应力传感器结构。
X向应变敏感单元(5)构成电阻R1～R4，Y向应变敏感单元(6)构成电阻R5～R8，Z向应变敏感单元(7)构成电阻R9～R12，电阻R1～R4安装于X、Y向弹性体(2)的X轴向平行梁，电阻R5～R8安装于X、Y向弹性体(2)的Y轴向平行梁，电阻R9～R12安装于Z向弹性体(3)的Z轴向平行梁，其中R1～R4组成全桥形成X方向输出，R5～R8组成全桥形成Y方向输出，R9～R12组成全桥形成Z方向输出。
所述保护壳体(4)不大于Φ17mm×17mm，测量量程在10N～40N之间。
X向弹性体(2)、Y向弹性体(3)和保护壳体(4)通过激光焊接连接成一体。
与现有技术相比，本实用新型具有以下的优点和技术效果。
1、本实用新型通过电阻应变效应，采用将应变敏感单元粘贴在弹性体的双孔平行梁上的工艺，并采用壳体和弹性体激光焊接的方式对传感器进行保护，减小了产品本体尺寸，降低了重量，使产品的结构简单、安装灵活方便，同时降低了维间耦合，提高了精度，利于传感器在仿真机器人领域的运用，适用于工业机器人手指指尖的三维力测量，解决了智能机械手高精度测力的难题，从而拓展了力传感器在智能机械力学量测量的应用范围。经实际实验使用，该传感器长、宽、高均小于等于17mm，重量低于20克，量程10N～40N范围，结构组成简单可靠。
2、本实用新型的弹性体采用悬臂型双孔平行梁结构，应变敏感单元粘贴在弹性体的双孔平行梁上，优化了系统的结构，使得其可用于小尺寸、高精度的应力处理，且不同的传感器测量量程可通过改变双孔平行梁的厚度和宽度调节，具有广泛的适用性。
3、本实用新型的弹性体所采用的悬臂型双孔平行梁结构，具有很强的抗偏向和抗横向偏载能力，侧向刚度大，维间耦合小，具有极好的物理解耦能力，保证了三维力传感器的测量准确性。
4、本实用新型的电阻应变敏感单元采用了一致性设计，X、Y、Z三个方向上的测量形式完全一致，应变敏感单元全封闭结构，温度自补偿，灵敏系数高，使用温度范围宽，既提高了产品精度，也简化了操作工序，降低了成本。
附图说明
图1为本实用新型结构的结构示意图。
图2为本实用新型的电阻应变敏感单元安装位置示意图。
图3为本实用新型的电路连接图。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型内容做进一步说明，但本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。
参见附图，本实用新型所述的小型三维力传感器包括X、Y向弹性体2、Z向弹性体3、保护壳体4和X、Y、Z向的应变敏感单元5～7，弹性体2、3均采用悬臂型双孔平行梁结构，弹性体2、3的上、下梁平面为薄壁弹性梁，属于利用弯曲应力的正应力传感器结构，其结构形式所特有的不变弯矩原理，使得测量精度高，稳定性好，灵敏度高。同时该悬臂型双孔平行梁弹性元件，单跨超静定钢架对称结构，侧向刚度大，线性好，抗横载及偏载能力强，可以实现物理解耦，节省了大量软件解耦成本。X、Y向弹性体2的悬臂型双孔平行梁的外表面处四周的应变区上贴有X向应变敏感单元5和Y向应变敏感单元6，Z向弹性体3的悬臂型双孔平行梁的外表面处粘贴有Z向应变敏感单元7，X向、Y向和Z向悬臂型双孔平行梁互相垂直，各成90°，因此X、Y和Z向的应变敏感单元5、6、7相互垂直设置，且X向、Y向、Z向应变敏感单元5、6、7为等距离设置，分别测量空间三维方向上各轴线上的力值。X、Y向弹性体2位于Z向弹性体3上部，X、Y向弹性体2和Z向弹性体3外部设有保护壳体4。所述的弹性体2、弹性体3和保护壳体4制作材质均为耐腐蚀的17-4PH不锈钢，X向弹性体2、Y向弹性体3和保护壳体4通过激光焊接可靠连成一体，产品可靠性高，环境适应能力强。该保护壳体4的最大尺寸包络为Φ17×17(mm)，重量仅20克，测量量程在10N～40N之间，产品综合精度优于2％，适用于机器人灵巧手的测力需求。X向应变敏感单元5构成电阻R1～R4，Y向应变敏感单元6构成电阻R5～R8，Z向应变敏感单元7构成电阻R9～R12，电阻R1～R4安装于X、Y向弹性体2的X轴向平行梁，电阻R5～R8安装于X、Y向弹性体2的Y轴向平行梁，电阻R9～R12安装于Z向弹性体3的Z轴向平行梁，其中R1～R4组成全桥形成X方向输出，R5～R8组成全桥形成Y方向输出，R9～R12组成全桥形成Z方向输出。电阻应变计通过惠斯通电桥电路将力信号转换为电信号(如图3所示)。X、Y、Z向弹性体2、3从结构上进行物理解耦，结构尺寸与传感器精度合理优化，这样在无需任何软件解耦处理条件下，即可进行空间三维力的测量。在弹性体与壳体之间具有间隙，可有效保护传感器电测电路，防止过载损坏。
上述小型三维力传感器中，电阻应变敏感单元5～7为高可靠性的电阻应变计。
上述小型三维力传感器中，保护壳体4直径不大于17mm，高度尺寸小于17mm，与人体手指尺寸相近，满足仿真机器人在空间尺寸范围的要求。
上述小型三维力传感器中，悬臂型双孔平行梁的应变敏感区域的间距均不大于6mm，且保持一致，更有利于电阻应变计的设计和生产。
上述小型三维力传感器中，弹性体和壳体均采用同一种材质17-4PH，各组件之间通过激光焊接连接成一体，提高产品的可靠性，保证了产品精度。
上述实施例结构中，悬臂型双孔平行梁的宽度为3mm～5mm，厚度为0.5mm～1.5mm，双孔间距4～6mm设置在弹性体外部，其中优选悬臂型双孔平行梁宽为4mm，厚度为1mm，双孔间距5.5mm。实施结果表明，当梁宽4mm，厚1mm时，可制成量程为20N的三维力传感器，稍大或小量程的传感器可通过相应改变悬臂型双孔平行梁的宽度、孔间距和厚度实现。
本实用新型实际用于手指受力测量时，首先将力传感器安装在手指基座上，传感器上端安装手指指尖1触头。手指通过机器人的驱动装置进行张合，抓取目标并进行操作。三维力传感器通过指尖触头的传递感知空间三维力信号，通过悬臂型双孔平行梁产生的微量形变，从而使得整个三维力传感器通过电阻应变敏感单元5～7输出与力信号精密线性相关的毫伏级线性电压。从而，实时测量手指的抓握力大小，并反馈给中央控制器进行实时控制。
本实用新型相对以往技术优势在于：其一，双孔平行梁式结构适用于高精度小量程测力，更适合于机器人手指测力需求。其二，该结构具有很强的抗偏向和抗横向偏载能力，侧向刚度大，维间耦合小，具有极好的物理解耦能力。其三，双孔平行梁结构具有很小的四角误差，可以很好的消除位置对测量误差的影响，确保力测量更佳准确，稳定性更好。其四，X、Y、Z三个方向的结构基本一致，各维度测量特性更加一致，更加有利于生产和质量控制，提高了生产率，降低了成本。
Claims (5)
1.一种小型三维力传感器,包括X、Y向弹性体(2)、Z向弹性体(3)、保护壳体(4)和X、Y、Z向应变敏感单元(5、6、7)，其特征在于：X、Y向弹性体(2)四周设有X向应变敏感单元(5)和Y向应变敏感单元(6)，Z向弹性体(3)上设有Z向应变敏感单元(7)，X、Y向弹性体(2)位于Z向弹性体(3)上部，X、Y、Z向弹性体(2、3)从结构上进行物理解耦，X向、Y向和Z向应变敏感单元(5、6、7)相互垂直设置，且X向、Y向、Z向应变敏感单元(5、6、7)为等距离设置，X、Y向弹性体(2)和Z向弹性体(3)外部设有保护壳体(4)。
2.根据权利要求1所述的小型三维力传感器，其特征在于：X、Y、Z向弹性体(2、3)结构均采用悬臂型双孔平行梁结构，属于利用弯曲应力的正应力传感器结构。
3.根据权利要求1所述的小型三维力传感器，其特征在于：X向应变敏感单元(5)构成电阻R1～R4，Y向应变敏感单元(6)构成电阻R5～R8，Z向应变敏感单元(7)构成电阻R9～R12，电阻R1～R4安装于X、Y向弹性体(2)的X轴向平行梁，电阻R5～R8安装于X、Y向弹性体(2)的Y轴向平行梁，电阻R9～R12安装于Z向弹性体(3)的Z轴向平行梁，其中R1～R4组成全桥形成X方向输出，R5～R8组成全桥形成Y方向输出，R9～R12组成全桥形成Z方向输出。
4.根据权利要求1所述的小型三维力传感器，其特征在于：所述保护壳体(4)不大于Φ17mm×17mm，测量量程在10N～40N之间。
5.如权利要求1所述的小型三维力传感器，其特征在于：X向弹性体(2)、Y向弹性体(3)和保护壳体(4)通过激光焊接连接成一体。
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