CN209878197U - 一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，为十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的阻值相同的三个电阻组成四分之一电桥；各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。该六维力传感器具有误差小，应用范围广等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及六维力传感器技术领域，特别是一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器。
背景技术
随着机器人与物联网技术的发展以及工业4.0的实施，传感器作为感知信号的基础，其越来越得到重视与发展。
六维力传感器能够感知三个轴向力(Fx，Fy，Fz)及三个轴向力矩(Mx，My，Mz)，从上世纪70年代起，机器人多维力传感器就成为国内外研究的热点问题。对它的研制与应用具有重要的理论和现实意义。
多维力传感器在各个方向上都是对力敏感的，在传感器的某一维施加力会在其它方向上有输出，被称为耦合误差。六维力传感器各输出通道之间普遍存在比较复杂的耦合关系。如不对各通道输出数据进行解耦，将会在一定程度上影响传感器的测量精度。因此，消除维间耦合是提高六维力传感器测量精度的关键。
目前六维力传感器一般采用输入与输出一一对应的方式，以电阻应变片式惠斯通全桥电路十字横梁六维力传感器为例，这种传感器带有浮动梁，如图8所示，而图9显示了其中一组惠斯通全桥的贴片位置，构成的惠斯通全桥电路如图10所示。当传感器中心质量块承受六维力/力矩时，其电阻变化如下：
其中，R1、R2、R3、R4的原始电阻值为R，ΔRFx与ΔRMz均为正值，分别表示传感器在单独受到Fx和Mz作用的情况下应变片的阻值变化量。
事实上，上面的等式严格来讲是不成立的，因为每个应变片的电阻值同时受到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的作用。只不过由于浮动梁的存在，R1、R2、R3、R4各自受Fy、Fz、Mx、My的影响均甚小，几乎可以忽略不计。
根据下式：
这样，就可以根据惠斯通全桥的输出电压UFx得到其电阻变化值ΔRFx，进而由压阻效应原理，可以推知Fx的值。
以上仅以一个惠斯通全桥为例进行说明，其余五个惠斯通全桥与它同理。
为构建惠斯通全桥电路，现有方案的六维力传感器思路是建立在将较小的应力近似为零的基础之上，且适用范围较窄，仅限于带浮动梁结构的十字横梁六维力传感器。另外现有方案的六维力传感器对传感器的尺寸公差和对称度等形位误差也有较高的要求。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。
较佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的1/2倍小于梁长度的1倍的点。
更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的2/3倍小于梁长度的1倍的点。
更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的3/4倍小于梁长度的1倍的点。
所述六维力传感器为带有或不带有浮动梁结构的六维力传感器。
本实用新型具有如下有益效果：
本实用新型提供了一种基于惠斯通四分之一电桥的十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。与现有技术“输入输出一一对应的方式”不同，使用本实用新型十字横梁六维力传感器时，不需要对应力做近似处理，且对传感器的尺寸公差和对称度等形位误差的要求也相对较低，有利于减小维间耦合，能够改善六维力传感器复合加载时的解耦效果，并且适用范围广，而且不受限于是否带有浮动梁结构。本实用新型具有误差小，应用范围广等优点。
附图说明
图1a是本实用新型实施例的基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器示意图；
图1b为每个梁上应变片与另外3个同阻值电阻构成1/4电桥的电路简图；
图2是本实用新型实施例中各梁各面应力一览表中沿s向应力不一致的各种梁表面应力分布情况的放大版示意图；
图3是本实用新型实施例中传感器承受Fz作用的示意图；
图4是本实用新型实施例中传感器承受Fx作用的示意图；
图5是本实用新型实施例中传感器承受Mz作用的示意图；
图6是本实用新型实施例中传感器承受Mx作用的示意图；
图7中的表格展示了本实用新型实施例中十字横梁六位力传感器同时受到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用时，其各梁各面所受应力的情况；
图8为现有的电阻应变片式惠斯通全桥电路十字横梁六维力传感器示意图；
图9为图8所示六维力传感器的其中一组惠斯通全桥的贴片位置示意图；
图10为图8所示六维力传感器的电阻应变片式构成的惠斯通全桥电路。
具体实施方式
以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
如图1a和图1b所示，一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁1-4的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片P1-P4(图1a中仅示出4个应变片)，每个应变片(图1b中表示成电阻Rn)与另外设置的三个同阻值的电阻R组成一个四分之一电桥，各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。
较佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的1/2倍小于梁长度的1倍的点。
更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的2/3倍小于梁长度的1倍的点。
更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的3/4倍小于梁长度的1倍的点。
所述六维力传感器为带有或不带有浮动梁结构的六维力传感器。
图1a为梁上贴应变片的示意图。图1b为每个梁上应变片与梁面之外的3个同阻值的电阻构成1/4电桥的电路简图，其中Rn代表梁面上的应变片等效的电阻，3个R代表另外三个同阻值的电阻(可以是梁面之外的三个电阻应变片，不受应力，阻值不变)，VS为电桥输入电压，VO为电桥输出电压。
本实用新型的六维力传感器方案有利于减小维间耦合，能够改善六维力传感器复合加载时的解耦效果，具有误差小，应用范围广等优点。
使用时，若六维力传感器布有16个四分之一电桥，则标定矩阵采用6×16，若布有12个四分之一电桥，则标定矩阵采用6×12。其中，每个四分之一电桥的输入电压可为0-5V或0-10V。
六维力传感器的使用与解耦
在另一方面，参阅图1a至图7，使用本实用新型的六维力传感器的解耦时，标定实验采用n组线性无关的力/力矩列向量，输入为Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，输出为各梁各面(全部16个面或者其中指定的12个面)统一指定坐标点(靠近质量块端且位于梁中心线上的点)的应力对应的输出。然后用最小二乘法或者极限学习机(ELM)等解耦方法进行解耦，从而求得标定矩阵C或者输入输出的对应关系。
十字横梁六维力传感器同时受到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用时，其各梁各面所受应力情况如图7所示。其中，对于1号、2号、3号、4号四根梁的共16个表面，分别以外壁与梁连接处中点为原点，指向质量块作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴。各梁面测量应力的坐标(t，s)均相同，且s＝0，t取较靠近质量块的位置。梁表面应力变化图可从z轴正向或x轴负向、y轴负向观察得到。
由输入Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz带来的各梁各面所受应力/力矩与应力的关系表示为方程组如下：
其中，F为力；M为力矩；σ代表应力；W代表弯曲截面模量，梁的截面为边长为b的正方形，则W＝b3/6；A为梁截面正方形的面积，A＝b2；下标1，2，3，4分别代表1号梁、2号梁、3号梁、4号梁；下标x，y，z分别代表x轴，y轴，z轴正方向；(t，s)代表测量输出的坐标点，这里取s＝0，t取较为靠近质量块的适当位置。例如：σ1上(t，s)表示1号梁上表面(t,s)处的应力；Fx1表示Fx引起的在1号梁上的拉/压力；Mx3(t)表示Mx引起的在3号梁上坐标为t处的弯矩；M1Fz(t)表示Fz引起的在1号梁上坐标为t处的弯矩。其余参数含义同理。
为便于计算，每个惠斯通1/4电桥的电阻R与电桥输入电压VS应完全一致，应变片分别在对应梁对应面上的(t，s)坐标处。
同理，
其中，πl为应变片纵向压阻系数；R为应变片的电阻；ΔR为应变片电阻变化量，其下标表示几号梁，哪个面；VO1上为1号梁上表面1/4电桥输出电压，其余类同；VS为1/4电桥输入电压；E梁与E应变片分别表示梁与应变片的杨氏弹性模量；τMx(s)与τMy(s)分别表示单独加载Mx和单独加载My时在纵坐标为s处产生的扭转应力。
解得：
因此，
由前面所述的方程组可以解得单维力/力矩对应的应力，推出此应力对应的单维力/力矩在某梁上的分量，然后可以依据单维加载的受力计算推出各维力/力矩。然而，由于理论计算当中存在诸如未考虑加工误差等各种误差因素，故实际解耦不宜由应力来直接推导各维力/力矩。
可采用标定实验加线性(如最小二乘法)或非线性(如极限学习机)解耦的方式来得到标定矩阵C或者输入输出的对应关系。
以上解算方式是将十字横梁16个面当中的12个面的应力作为已知条件来求得的，因此解算方式不唯一，也可以利用全部的16个面的1/4电桥输出电压作为已知条件，可以列出另外类型的方程组。相应地，输出可以为12个或者16个，标定矩阵为6×12或者6×16。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，其特征在于，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。
2.如权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于，所述指定坐标点为t值大于梁长度的1/2倍小于梁长度的1倍的点。
3.如权利要求2所述的六维力传感器，其特征在于，所述指定坐标点为t值大于梁长度的2/3倍小于梁长度的1倍的点。
4.如权利要求3所述的六维力传感器，其特征在于，所述指定坐标点为t值大于梁长度的3/4倍小于梁长度的1倍的点。
5.如权利要求1至3任一项所述的六维力传感器，其特征在于，所述六维力传感器为带有或不带有浮动梁结构的六维力传感器。
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| CN110132477A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-08-16 | 清华大学深圳研究生院 | 一种六维力传感器的解耦方法及六维力传感器 |
| CN114894364A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-12 | 东南大学 | 一种微小型组合式多维力传感器结构 |
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