[发明专利]一种六维力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及力传感器设计制造领域，具体是一种六维力传感器。

背景技术

六维力传感器能够测量三维空间的全力信息，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发挥着重要的作用。对于六维力传感器的研究，其核心问题是弹性体的结构设计，弹性体的结构决定着传感器的刚度、分辨率、灵敏度和动态性能等，是传感器性能优劣的关键所在。关于六维力传感器的研究，已经形成多种专利技术，如：专利CN 2233081Y中公开了一种由盘体结构和筒体结构相结合的一体化六维力/力矩传感器，具有灵敏度高、易加工等优点，但其盘体结构降低了Z向刚度，并存在一定程度的力耦合，无法实现完全解耦；专利CN 2066134U公开了一种圆筒形上下结构六维力/力矩传感器，该结构径向测力对轴向测力有较大的干扰，圆筒形结构增大了轴向尺寸，降低了传感器的动态性能；在公开号为CN 101329208A和CN 101329207A的专利中公开了两种双层上下结构六维力传感器，两者都是Stewart式并联结构组合件，具有测量原理简单、精度高、能承受较大的颠覆力矩等特点，但是结构不紧凑，体积较大，且后期数据处理较复杂。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题和缺陷，本发明提出一种六维力传感器。

本发明包括传感器弹性体和电阻应变片，弹性体由圆筒形壳体和十字弹性梁结构构成。将壳体镂空，分别形成了柔性梁、上弹性梁、传力柱、下弹性梁、上凸台、下凸台、上基座、下基座、上支撑和下支撑；十字弹性梁位于圆筒内中心处，由应变梁和加载台构成。上基座和下基座分别位于圆筒的两端。在上基座的下方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个两端为圆弧的矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有上凸台；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成上支撑；在上支撑上有贯通壳体壁的螺纹通孔。在下基座的上方，沿壳体的圆周方向均匀镂空出四个两端为圆弧的矩形孔，并且各矩形孔同一侧边的中部有下凸台；每两个相邻的矩形孔之间的壳体形成下支撑；在下基座上有轴向贯通下基座和下支撑的螺纹通孔。

在壳体圆周方向有两排上下对称于壳体中心的条形孔，上排条形孔在上支撑的正下方，下排条形孔在下支撑的正上方；上排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个上凸台相邻的边对齐；下排条形孔中的每个条形孔的两端分别与两个下凸台相邻的边对齐。传力柱位于上凸台、下凸台之间，并由两个相邻的条形孔之间的壳体形成。上排条形孔与位于其上方有凸台的矩形孔之间的壳体形成上弹性梁；下排条形孔与位于其下方有凸台的矩形孔之间的壳体形成下弹性梁。在圆筒壳体中部每两个相邻的传力柱之间切去壳体圆弧外表面形成柔性梁；柔性梁的中部与应变梁末端连接。

加载台位于十字弹性梁中心；在加载台端面中心有一轴向贯通加载台的圆形通孔；在加载台端面的四个角上均有一个轴向贯通加载台的螺纹孔；加载台周边的四个侧面分别延伸出一根应变梁，该应变梁的末端与柔性梁相连；应变梁上有沿加载台轴向贯通的孔，用于提高应变梁的应变灵敏度。

上凸台上表面和上基座下表面之间的间隙与下凸台下表面和下基座上表面之间的间隙相等；上凸台和上基座与下凸台和下基座一起构成过载保护装置，实现过载保护功能。

在应变梁的两侧面上沿侧面径向中轴线方向靠近加载台各对称贴装应变片R1～R8，其中应变片R1、R2、R3、R4组成一组全桥检测电路a，用于检测Fy；应变片R5、R6、R7、R8组成一组全桥检测电路b，用于检测Fx；在X轴方向的两根应变梁两侧面靠近柔性梁沿X轴各对称贴装应变片R9～R12，组成一组全桥检测电路c，用于检测Mz。

在上弹性梁的上表面靠近四根上支撑的同一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R17～R20；在上弹性梁的上表面靠近四根上支撑的另一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R25～R28；并且编号为R17的应变片与编号为R25的应变片分别位于同一个上支撑的两侧，其它应变片亦按编号次序一一对称于所处的上支撑的两侧。R17和R25所处的上支撑位于传感器Y坐标轴的负方向。

在下弹性梁的下表面上靠近四根下支撑的同一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R13～R16；在下弹性梁的下表面上靠近四根下支撑的另一侧沿圆周切线方向分别贴装有应变片R21～R24；并且编号为R13的应变片与编号为R21的应变片分别位于同一个下支撑的两侧，其它应变片亦按编号次序一一对称于所处的下支撑的两侧。R13和R21所处的下支撑位于传感器Y坐标轴的正方向。