CN109781330A - 基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，包括内圆柱台、设置在内圆柱台外侧呈中空圆柱形的外壳、套装梁组件、受力顶板和固定底板；所述内圆柱台外侧壁周向均匀设置有若干套装梁组件；所述套装梁组件一端与内圆柱台外侧壁固定连接，另一端与外壳的内侧壁固定连接；所述受力顶板同轴固定连接于内圆柱台的顶部，且受力顶板的外边缘与外壳的内侧壁之间留有活动行程间隙；所述固定底板设置于内圆柱台的正下方，且固定底板固定连接于外壳底部；本发明结构简单紧凑，安装方便，模块化强，维间耦合程度低且具备良好灵敏度，高线性度，易于解耦，可靠性强，不易过载失效。

Description

基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器。

背景技术

六维力传感器能够检测力在空间作用的全部信息，广泛应用于智能机器人，自动控制，航空航天，仿生运动等研究领域，在工业生产，国防建设和科学技术发展中都发挥着重要的作用。

迄今为止国内外已经研究出多种六维力传感器。基于不同的的传感测量原理，六维力传感器分为电容式、压阻式、应变式，压电式等。早期的六维力传感器结构为压阻式传感器，各分力耦合程度高且很难解耦，而传统的电容式传感器和压电式传感器存在量程小的缺点。尽管国内外提出相当多六维力传感器，例如：国外学者科尔(Keer)和奴因(Nguyen)以及法瑞西(Ferraresi)等人提出并研究了斯帝瓦特(Stewart)结构六维力传感器，但是由于他沿用真实的球铰作为力传感器的运动副，从而限制了它的应用范围，六自由度力与力矩传感器(中国专利：CN2165435Y),机器人用六维力与力矩传感器(中国专利：CN2066134U),但是这些技术存在一些问题，有的结构复杂、有的标定困难、有的尺寸大、有的刚度低、有的灵敏度低、有的长期使用后可靠性下降，有的量程小易过载失效等。

针对现有技术的不足，急需开发出一种既能满足工业生产要求，具备良好灵敏度，高线性度，易于解耦且具有长期可靠性以及不易过载失效的六维力传感器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，结构简单紧凑，安装方便，模块化强，维间耦合程度低且具备良好灵敏度，高线性度，易于解耦，可靠性强，不易过载失效。

本发明提供一种基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，包括内圆柱台、套设在内圆柱台外侧呈中空圆柱形的外壳、套装梁组件、受力顶板和固定底板；

所述内圆柱台外侧壁周向均匀设置有若干套装梁组件；所述套装梁组件一端与内圆柱台外侧壁固定连接，另一端与外壳的内侧壁固定连接；

所述受力顶板同轴固定连接于内圆柱台的顶部，且受力顶板的外边缘与外壳的内侧壁之间留有活动行程间隙；

所述固定底板设置于内圆柱台的正下方，且固定底板固定连接于外壳底部。

进一步，所述套装梁组件包括悬臂梁、用于监测六自由度力和力矩的传感单元以及包覆壳；

所述悬臂梁长度方向的一端固定连接于内圆柱台外侧壁，所述悬臂梁长度方向的另一端的五个外壁面分别设置有传感单元；

所述包覆壳套设在传感单元的外侧，将传感单元压紧贴合在悬臂梁的外壁面；所述包覆壳的朝向外壳内侧壁的一侧壁面固定连接于外壳的内侧壁。

进一步，所述传感单元包括传感基体、分别固定设置在传感基体两侧且与传感基体对齐的第一柔性电极片和第二柔性电极片；所述第一柔性电极片和第二柔性电极片结构相同。

进一步，所述第一柔性电极片与悬臂梁的外壁面压紧贴合；所述第二柔性电极片与包覆壳的内壁面压紧贴合。

进一步，所述传感基体为磁流变弹性体。

进一步，所述悬臂梁宽度方向的截面为正方形。

进一步，所述受力顶板的顶部端面下沉形成若干用于固定连接目标施力物的第一安装孔。

进一步，所述固定底板的底部端面下沉形成若干用于固定安装固定底板的第二安装孔。

本发明的有益效果：本发明通过设置周向阵列套装梁结构，使六维力传感器结构紧凑，整体性强，悬臂套装梁结构稳定，不易过载失效，不易损坏，且传感基体材料设置为磁流变弹性体，可靠性强，使用寿命长，灵敏度和线性度高，此外，本发明六维力测量准确，且易于解耦。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明未安装受力顶板时的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为套装梁组件的装配示意图；

图4为套装梁组件示意图；

图5为传感单元的结构示意图；

图6为固定底板的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明未安装受力顶板时的结构示意图，提供此图方便观察六维传感器的内部结构；图2为本发明的结构示意图；图3为套装梁组件的装配示意图；图4为套装梁组件示意图；图5为传感单元的结构示意图；图6为固定底板的结构示意图。如图1和图2所示，本发明提供的一种基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，包括内圆柱台1、套设在内圆柱台1外侧呈中空圆柱形的外壳2、套装梁组件3、受力顶板4和固定底板5；

所述内圆柱台1外侧壁周向均匀设置有若干套装梁组件3；所述套装梁组件3至少为3组，使得整个六维力传感器受到的各个方向的六维力均能被套装梁组件3感知，也保证了整个六维力传感器的稳定性。所述套装梁组件3一端与内圆柱台1外侧壁固定连接，另一端与外壳2的内侧壁固定连接；本实施例中，受力顶板4的顶部端面为整个六维力传感器的受力感知面，与被测目标紧密贴合，进一步，与被测目标固定连接，受力顶板4将受力情况通过内圆柱台1传递到各个套装梁组件，各个套装梁组件3受到不同程度的挤压和拉伸，通过监测套装梁组件3的形变，则可根据形变计算得到被测目标施加给六维力传感器的六自由度力和力矩。

所述受力顶板4同轴固定连接于内圆柱台1的顶部，且受力顶板4的外边缘与外壳2的内侧壁之间留有活动行程间隙42；受力顶板4截面为圆形，受力顶板4截面半径小于外壳2内径，在安装时，受力顶板4的顶部端面与外壳2的顶部端面齐平。在受力顶板4顶部端面受力时，受力顶板4可能会受到径向方向上的力与力矩的作用，即受到径向方向上的挤压或拉伸，导致受力顶板4在径向方向上发生位移或轻微的形变，活动行程间隙42的设置，使受力顶板4不影响外壳2，从而保证受力顶板4受到的外力通过内圆柱台1传递到套装梁组件3，避免从外壳2传递到套装梁组件3造成计算的误差。

所述固定底板5设置于内圆柱台1的正下方，且固定底板5固定连接于外壳2底部。固定底板5截面为圆形，固定底板5截面半径与外壳2外径相等，固定底板5将外壳2底部完全封闭。通过上述结构，设置周向阵列套装梁结构，使六维力传感器结构紧凑，整体性强，悬臂套装梁结构稳定，不易过载失效，不易损坏，可靠性强，使用寿命长，灵敏度和线性度高，测量准确度高，且易于解耦。

如图3和图4所示，所述套装梁组件3包括悬臂梁31、用于监测六自由度力和力矩的传感单元32以及包覆壳33；本实施例中，内圆柱台1外侧壁周向均匀设置有6组套装梁组件3。图3中，传感单元32按照箭头指向的方向装配到包覆壳33中，装配完成后如图4所示。图3中包覆壳33中的虚线描绘的是包覆壳33的透视结构。

所述悬臂梁31截面呈矩形，所述悬臂梁31长度方向的一端固定连接于内圆柱台1外侧壁，所述悬臂梁31长度方向的另一端的五个外壁面分别设置有传感单元32；所述五个外壁面分别为悬臂梁31长度方向的另一端的端面以及靠近悬臂梁31长度方向的另一端的端面的4个方向的外侧壁面。

所述包覆壳33套设在传感单元32的外侧，将传感单元32压紧贴合在悬臂梁31的外壁面；所述包覆壳33的朝向外壳2内侧壁的一侧壁面固定连接于外壳2的内侧壁。本实施例中，包覆壳33呈长方体形(也可为正方体形)的腔体结构，且包覆壳33的一侧壁面设置有开口，方便传感单元和悬臂梁31伸进包覆壳33；所述包覆壳33套于五个传感单元32的外侧，将五个传感单元32卡在包覆壳33与悬梁臂之间，并压紧。传感单元32感应受力顶板4传递给内圆柱台1的挤压或拉伸力。本实施例中，一共设置有30个传感单元32。

如图5所示，所述传感单元32包括传感基体321、分别固定设置在传感基体321两侧且与传感基体321对齐的第一柔性电极片322和第二柔性电极片323；所述第一柔性电极片322和第二柔性电极片323结构相同。本实施例中，所述传感基体321截面为正方形，所述第一柔性电极片322和第二柔性电极片323的截面为与传感基体321截面尺寸相同的正方形。传感单元32受到轻微挤压或拉伸，其电容值会发生明显变化，提高了六维力传感器的测量精度。

所述第一柔性电极片322与悬臂梁31的外壁面压紧贴合；所述第二柔性电极片323与包覆壳33的内壁面压紧贴合，使第一柔性电极片322和第二柔性电极片323能灵敏的感应悬臂梁31传递过来的六自由度力和力矩。

所述传感基体321为磁流变弹性体。应用了磁流变弹性体的六维力传感器相对传统的六维传感器，具有长期可靠性，使用寿命长，灵敏度和线性度更高。

所述悬臂梁31宽度方向的截面为正方形。正方形结构的截面使得设置在各个壁面上的传感单元32受力均匀，避免悬臂梁31各个方向尺寸不均匀导致受力不均匀导致而造成传感器计算误差，降低了测量精度，此外，将悬臂梁31宽度方向的截面为正方形简化了六维传感器转化计算六自由度力和力矩的计算复杂度。

所述受力顶板4的顶部端面下沉形成若干用于固定连接目标施力物的第一安装孔41。所述第一安装孔41绕受力顶板4的轴线均匀分布，如图2所示，本实施例中，所述第一安装孔41设置有6个。

如图6所示，所述固定底板5的底部端面下沉形成若干用于固定安装固定底板5的第二安装孔51。所述第二安装孔51绕固定底板5的轴线均匀分布，如图6所示，本实施例中，所述第二安装孔51设置有6个。

当六维力传感器测量某一载荷(目标施力物)时，该载荷通过目标施力物紧固件(附图中未画出)固定到受力顶板4上，例如：目标施力物紧固件为螺栓，通过螺栓与第一安装孔41螺纹连接。六维力传感器通过固定件固定到稳定的台面上，例如操作台或其他试验台等台面上，本实施例中，可将固定件(附图中未画出)设置为螺栓结构，将第二安装孔51内壁设置与固定件配合的内螺纹，固定件与第二安装孔51螺纹配合，对六维力传感器进行固定。当然，还可根据实际情况和需求另行设置目标施力物与第一安装孔41固定配合的结构，以及台面与第二安装孔51固定配合的结构。

本实施例中，当六维力传感器的受力顶板4受力后，各个悬臂梁31上的传感单元32受到不同程度的挤压或拉伸，即传感单元32n1至n5都会变形，则可得出30个传感单元32的电容变化值，其中n1至n5分别表示第n个悬臂梁31上第1至第5个传感单元32。如图2所示，把输入力分解为单位向量F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z，则可得到如下式所示方程组：

ΔC_n1＝aF_x+bF_y+cF_z+dM_x+eM_y+fM_z (1)

ΔC_n2＝aF_x+bF_y+cF_z+dM_x+eM_y+fM_z (2)

ΔC_n3＝aF_x+bF_y+cF_z+dM_x+eM_y+fM_z (3)

ΔC_n4＝aF_x+bF_y+cF_z+dM_x+eM_y+fM_z (4)

ΔC_n5＝aF_x+bF_y+cF_z+dM_x+eM_y+fM_z (5)

本实施例中，设置了6组套装梁组件3，故n＝1,2,3,4,5,6。ΔC_ni表示在六维力传感器受力前后第n个悬臂梁31上第i个传感单元32的电容值变化量。F_x，F_y和F_z分别为图1和图2中六维力传感器在x轴、y轴和z轴方向上受到的力；M_x，M_y，M_z分别为图1和图2中六维力传感器在x轴、y轴和z轴方向上受到的力矩。在六维力传感器受力前先测量各传感单元32的初始电容值，在六维力传感器受力后测量各传感单元32的实时电容值，则电容值变化量等于实时电容值减去初始电容值。本申请中，测量传感单元32的电容值是采用现有电容检测设备进行测量，例如：电容电感测量仪、精度较高的电表、数字电容测量仪等，可直接采购，测量电容值的方法为现有方法，可直接根据电容检测设备的使用说明中描述的方法进行测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：包括内圆柱台、套设在内圆柱台外侧呈中空圆柱形的外壳、套装梁组件、受力顶板和固定底板；

所述内圆柱台外侧壁周向均匀设置有若干套装梁组件；所述套装梁组件一端与内圆柱台外侧壁固定连接，另一端与外壳的内侧壁固定连接；

所述受力顶板同轴固定连接于内圆柱台的顶部，且受力顶板的外边缘与外壳的内侧壁之间留有活动行程间隙；

所述固定底板设置于内圆柱台的正下方，且固定底板固定连接于外壳底部。

2.根据权利要求1所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述套装梁组件包括悬臂梁、用于监测六自由度力和力矩的传感单元以及包覆壳；

所述悬臂梁长度方向的一端固定连接于内圆柱台外侧壁，所述悬臂梁长度方向的另一端的五个外壁面分别设置有传感单元；

所述包覆壳套设在传感单元的外侧，将传感单元压紧贴合在悬臂梁的外壁面；所述包覆壳的朝向外壳内侧壁的一侧壁面固定连接于外壳的内侧壁。

3.根据权利要求2所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述传感单元包括传感基体、分别固定设置在传感基体两侧且与传感基体对齐的第一柔性电极片和第二柔性电极片；所述第一柔性电极片和第二柔性电极片结构相同。

4.根据权利要求3所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述第一柔性电极片与悬臂梁的外壁面压紧贴合；所述第二柔性电极片与包覆壳的内壁面压紧贴合。

5.根据权利要求3所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述传感基体为磁流变弹性体。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述悬臂梁宽度方向的截面为正方形。

7.根据权利要求6所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述受力顶板的顶部端面下沉形成若干用于固定连接目标施力物的第一安装孔。

8.根据权利要求6所述的基于周向阵列的套装梁压容感知六维力传感器，其特征在于：所述固定底板的底部端面下沉形成若干用于固定安装固定底板的第二安装孔。