[发明专利]一种安全型无力耦合六维力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种安全型无力耦合六维力传感器。

背景技术

所谓六维力是指相互正交的三个轴向分力F_x、F_y、F_z和绕三个轴回转的分力矩M_x、M_y、M_z。目前，许多领域都需要得到实时的、精确的六维力信息，如机器人、航空航天、汽车、建筑及造船等，以达到稳定控制或精确测量的目的，尤其是在应用于双足步行仿人机器人的脚部来控制其行走，实时精确的六维力信息对机器人的步行稳定性具有重要意义。六维力传感器又被称为六轴力/力矩传感器、六分量力传感器，是一种专门用来检测三个轴向分力和三个分力矩的装置。按照力的测量原理可分为电阻应变式、电容式、电感式、压电式和光电式等，其中应用较为广泛和成熟的是电阻应变式。目前，公知的电阻应变式六维力传感器是由壳体结构、弹性梁及应变片组合而成，将弹性梁与壳体结构固定连接，通过特定工艺将应变片粘贴在弹性梁的指定位置，当负载直接施加于弹性梁上或者通过壳体结构间接传递到弹性梁上使弹性梁发生变形，粘贴在弹性梁上的应变片也随之发生变形产生应变，然后由应变片组成的应变电桥将此机械形变转换成电量参数(电压)，再由力信号测试系统采集并显示出来完成被测力的检测。

现有的电阻应变式六维力传感器代表性结构有垂直筋式、水平梁式和垂直筋水平梁混合式三种。专利号为CN 0236964.8的专利具体公开了一种“多维力传感器”，该专利技术属于垂直筋水平梁混合式结构的电阻应变式六维力传感器，其弹性梁较薄，承载能力有限；专利CN 101419102A具体公开了一种“超薄六维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法”，其过载保护性能不好。以上两项专利从原理上皆存在所测得力分量之间相互耦合问题，需要进行解耦，从而降低了传感器本身的动态响应特性，而且解耦算法所带来的误差也降低了测量精度；专利CN 101672705A具体公开了“一种六维力传感器”，该专利技术同样存在力耦合问题，且高度方向尺寸较大。

现有技术通常在外形尺寸不大的条件下，承载能力十分有限。另外，在过载时，现有技术往往是以剪断安全销等方式实现对传感器的保护，但是具有这样保护措施的六维力传感器在应用于双足或多足步行机器人的脚部时是不安全的，因为一旦过载导致安全销剪断，这样虽然保护了传感器本身免遭破坏，但是同时也限制了传感器的正常工作，从而导致步行过程中的机器人得不到需要的力信息，不能对其进行稳定控制，造成机器人摔倒的现象，给机器人本体带来危险。

发明内容

本发明为解决现有电阻应变式六维力传感器安全性低以及存在力耦合现象降低了传感器本身的动态响应特性和传感器的测量精度的问题，进而提出一种安全型无力耦合六维力传感器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括上板、下板和两个支撑块，两个支撑块并排平行设置，上板与下板平行设置，两个支撑块位于上板与下板之间，且每个支撑块的上表面与上板的下表面连接，还包括两个测量F_x的弹性体、两个测量F_z的弹性体、两个测量F_y的弹性体和两根导力杆，两个支撑块的外侧且位于上板、下板之间的空间内各设有一个测量F_x的弹性体、一个测量F_z的弹性体、一个测量F_y的弹性体，且测量F_x的弹性体、测量F_z的弹性体、测量F_y的弹性体由外向内依次与支撑块平行设置，两个测量F_x的弹性体、两个测量F_z的弹性体、两个测量F_y的弹性体均安装在下板的上表面上，每个导力杆的两端为球面状，两个导力杆并排平行设置在两个支撑块之间且与两个支撑块垂直设置，每个导力杆的两端各穿过相应的支撑块和一个测量F_z的弹性体，每根导力杆的两个呈球面状的端部与相应的一个测量F_x的弹性体的内侧面保持点接触，每个导力杆两端的侧面分别与相应的一个测量F_z的弹性体、一个测量F_y的弹性体保持线接触，每个测量F_x的弹性体的两个外侧面各粘贴有四个第一应变片，每个测量F_y的弹性体的两端侧面上各粘贴有四个第三应变片，每个测量F_z的弹性体的两端侧面上各粘贴有两个第二应变片。