[發明專利]力感測裝置

有效

• 申請號: 201780072694.1
• 申請日: 2017-11-22
• 公開（公告）號: CN110023730B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: P·龐茲;E·戴維斯;M·布魯伊格
• 申請（專利權）人: 昆士蘭大學
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 王初

一種緊湊型測力單元，其同時測量從傳感器平面偏移距離h的承載平面中的法向力和剪切力。該緊湊型測力單元包括圍繞點布置在傳感器平面中并與該點間隔距離d的至少三個力感測元件(優選為四個)。所有力感測元件可以間隔相同的距離，或者對于一個或多個力感測元件，距離可以不同。每個力感測元件包括被包在力傳遞介質中的壓力傳感器。承載板與力傳遞介質接觸，并且承載桿的一端在傳感器平面的點上方連接到承載板并且延伸到承載平面。作用在承載平面中的力通過承載桿和承載板傳遞到傳感器平面。分解力以確定作用在承載平面上的法向力和剪切力。緊湊型測力單元可以用于確定作用在例如無人機上的力。

技術領域

本發明涉及力感測領域。更具體地，本發明涉及一種能夠以3個或更多個自由度分辨接觸力的接觸力探針組件。

背景技術

近年來，已經基于氣壓轉換器開發了力感測裝置。在題為“Tactile Sensor(觸覺傳感器)”、公開號為US2014/0260678的美國專利中描述了一個最近的示例。該專利申請描述了一種由包封在彈性材料中的壓力轉換器形成的觸覺傳感器。彈性材料限定觸覺傳感器的接觸表面并用于將施加到接觸表面的接觸力傳遞到轉換器。該專利申請中描述的觸覺傳感器緊湊且重量輕(約10克)。該專利申請提出了觸覺傳感器的許多應用，包括對機械手的控制、工業自動化中的產品剛度測試、平衡和調平應用、觸覺等。

US2014/0260678中描述的每個傳感器包括圍繞安裝在印刷電路板上的壓力轉換器的腔室。腔室填充有彈性材料，該彈性材料從腔室中的開口擴展以提供接觸表面。壓力轉換器例如是可從美國德克薩斯州奧斯汀的飛思卡爾半導體公司(FreescaleSemiconductor Inc)獲得的MEMS(微機電系統)MPL115A2絕對壓力傳感器。

Reeks等人最近描述了一種力感測裝置(“Angled Sensor ConfigurationCapable of Measuring Tri-Axial Forces for pHRI(能夠為pHRI測量三軸力的成角傳感器配置)”；Christian Reeks、Marc G Carmichael、Dikia Liu、Kenneth J Waldron；2016IEEE機器人與自動化國際會議；瑞典斯德哥爾摩，2016年5月16日至21日)，其使用成角度的傳感器陣列來測量沿每個笛卡爾軸(X、Y和Z)施加的外力。力感測裝置使用以馬耳他(Maltese)十字形格式布置的四個氣壓感測裝置，每個氣壓感測裝置相對于相互作用表面成角度，優選地成45度。四個氣壓感測裝置布置在印刷電路板上并用聚氨酯橡膠封裝。與上述裝置一樣，氣壓感測裝置形成有具有開口的腔室，腔室填充有聚氨酯橡膠，以將接觸力傳遞到感測裝置。

已知的裝置在其應用中受到限制，因為每個裝置僅測量有限范圍的力。

發明內容

在一種形式中，盡管它不必是唯一的或實際上最寬的形式，但本發明在于一種緊湊型測力單元，其同時測量從傳感器平面偏移距離h的承載平面中的法向力和剪切力，該緊湊型測力單元包括：

至少三個力感測元件，其圍繞點布置在傳感器平面中并與該點間隔距離d，每個力感測元件包括被包在力傳遞介質中的壓力傳感器；

承載板，其與力傳遞介質接觸；

承載桿，其在一端處在傳感器平面的點上方連接到承載板并延伸到承載平面；

其中，作用在承載平面中的力通過承載桿和承載板傳遞到傳感器平面。

傳感器平面適當地包括印刷電路板，并且力感測元件與印刷電路板結合并電連接。印刷電路板適當地包括信號處理電子器件。

力感測元件可以圍繞點均勻布置，例如在以該點為中心的等邊三角形的拐角處，或者每個感測元件非均勻地距該點不同距離d。

力傳遞介質優選為聚氨酯橡膠，并且承載板適當地由聚甲基丙烯酸甲酯制成。通過任何適當的方法將承載板結合到力傳遞介質上，但最合適的是通過膠合。