[實用新型]一種具有彈性體結構的六維力傳感器

有效

• 申請號: 201720307336.1
• 申請日: 2017-03-28
• 公開（公告）號: CN206648770U
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 宋愛國;付立悅;李昂;張培軍;張達鑫
• 申請（專利權）人: 東南大學;江蘇天宏機械工業有限公司
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16;G01L1/22;G01L5/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本實用新型屬于傳感器技術領域，尤其涉及一種具有彈性體結構的六維力傳感器。

背景技術

六維力傳感器測量的是笛卡爾坐標系三維空間的三維正交力(Fx,Fy,Fz)和三維正交力矩(Mx,My,Mz)，由于其測力信息豐富、測量精度高等特點，主要應用在力及力-位控制場合，如機器人末端執行器，汽車行駛過程輪力檢測，輪廓跟蹤，精密裝配，雙手協調等，尤其在航空機器人，宇宙空間站對接仿真等場合發揮了極其重要的作用。

十字梁型結構是目前六維力傳感器采用最多的一種形式，而電阻應變式測力原理是目前六維力傳感器中應用最多的一種。專利CN103528746A中公開了一種十字梁式六維力傳感器彈性體，它由四個內梁、四個外梁和四個過載保護梁等組成，可以提高靈敏度，減小維間耦合，但是結構相對復雜。專利CN205333238U中公開了一種結構緊湊的應變式六維力傳感器，它包括底座彈性體、十字梁彈性體等，底座彈性體具有一腔體，十字梁彈性體設于腔體內，整體結構較為緊湊。

國際上對多維力/力矩傳感器的研究熱點多在檢測原理、方法創新和新型彈性體結構設計等方面。而多維力/力矩傳感器特有的維間耦合成為多維力/力矩傳感器存在的主要問題，制約著測量精度，從而直接影響后續的力反饋與力控制性能。

實用新型內容

實用新型目的：為了減小六維力傳感器的測量誤差，本實用新型提供一種具有彈性體結構的六維力傳感器。

技術方案：一種具有彈性體結構的六維力傳感器，包括水平彈性梁、中心垂直彈性梁、加載軸及外圈固定臺，所述水平彈性梁為十字形結構，水平彈性梁包括四個等長分支，所述中心垂直彈性梁的一端固定在水平彈性梁十字形結構的中心位置，且與十字形結構所在的面垂直，所述加載軸安裝在中心垂直彈性梁的另一端，所述外圈固定臺為套設在水平彈性梁外側的圓環狀部件，外圈固定臺包括內側面，水平彈性梁的四個分支的末端固定在外圈固定臺的內側面上，水平彈性梁的四個分支的末端均為S型結構，所述水平彈性梁和/或中心垂直彈性梁上還貼覆有應變片。

工作原理：當傳感器受到Y方向作用力Fy時，兩個X向彈性梁分支發生彎曲變形，兩個Y向彈性梁分支發生拉壓形變且其變化量很小可忽略，此時其末端S型結構可看作柔性環節，Fy可通過粘貼于X向彈性梁左、右側面的應變片組成的Wheatstone全橋電路測得；當傳感器受到Z方向作用力矩Mz時，兩個X向彈性梁分支發生彎曲變形，且兩個X向彈性梁分支的左、右側面的相同位置處產生的形變大小相等、方向相反，Mz即可通過粘貼于X向彈性梁左右側面的應變片組成的Wheatstone全橋電路測得。

當傳感器受到Z方向作用力Fz時，兩個Y向彈性梁分支發生彎曲變形，且兩個Y向彈性梁分支的上、下表面的相同位置處產生的形變大小相等、方向相反，Fz可通過粘貼于兩個Y向彈性梁分支上、下表面的應變片組成的全橋電路測得；當傳感器受到X方向力矩Mx時，兩個Y向彈性梁分支發生彎曲變形，兩個X向彈性梁分支發生扭轉變形，且變形量很小可以忽略，Mx可通過粘貼于兩個Y向彈性梁分支上下表面的應變片組成的全橋電路測得。

當傳感器受到X方向作用力Fx或Y方向力矩My時，中心垂直彈性梁發生較大彎曲變形，且中心垂直彈性梁的前、后側面的相同位置處產生的應變大小相等、方向相反，Fx和My均可通過粘貼于中心垂直彈性梁前、后側面的應變片組成的橋路測得。

有益效果：本實用新型提供的一種具有彈性體結構的六維力傳感器，水平彈性梁分支的末端設計為S型結構，使其在受到相應方向的作用力時作為柔性環節；相比較現有的十字梁型六維力傳感器，多了一個中心垂直彈性梁，用以感受X方向的作用力Fx和Y方向的轉矩My；除了在四個水平彈性梁分支上粘貼應變片外，在中心垂直彈性梁朝向Y向彈性梁分支的兩個側面也貼覆有兩對應變片，減小了測量誤差；現有的十字梁型六維力傳感器在三個及三個以上方向間存在耦合(如Fy,Mz,Fx之間，Fz,Mx,My之間)，而本專利具有彈性體結構的六維力傳感器只在兩個方向間存在耦合(如Fy,Mz之間，Fz,Mx之間，Fx,My之間)，減小維間耦合，從而簡化了解耦算法，提高測量精度。

附圖說明

圖1為本實用新型的具有彈性體結構的六維力傳感器整體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1所示，為方便描述方向，建立一個如圖所示的空間笛卡爾坐標系。