[发明专利]一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种六维力和力矩传感器，具体来说，涉及一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器。

背景技术

六维力传感器能够同时检测空间六个方向的载荷，即空间笛卡尔坐标系中三个坐标轴方向的力信息(Fx,Fy,Fz)以及绕三个轴的力矩信息(Mx,My,Mz)。作为一种重要的力觉传感器，它是保证精密装配和控制的基础元件，也是机器人完成接触性任务的保障，因此广泛用于工业机器人、仿人机器人、自动控制、航空航天、水下机器人等领域。

应变式力/力矩传感器因为具有较好的精度和灵敏度，一直是力觉感知领域的研究热点。专利CN102353482A《一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器》公开了一种空间六维力矩测量的传感器。该发明采用了组合式方法，用九个一维力传感器组合测量多维力矩。这种类型的传感器虽然具有较好的灵活性，但是需要复杂的装配，同时很容易引起装配误差，且成本较高。整体式六维力传感器因为其结构简单紧凑、灵敏度高等优点被广泛使用，其力敏元件为内部的弹性体，其结构设计也是应变式六维力传感器设计的核心。这种传感器内部的弹性体结构通常有横梁式、竖梁式、stewart式等，其中，十字横梁式弹性体由于其结构简单易于加工、灵敏度高、维间串扰小等优点被广泛使用。专利CN201561825U《一种六维力传感器的弹性体》公开了一种十字弹性梁结构的弹性体，但是由于采用了壳体镂空的结构，给加工和贴片造成一定困难。专利CN202720078U《一种应变式的六维力传感器》公开了一种结构更为简单的十字梁弹性体，减轻了维间串扰，且提高了输出精度，但是很难保证有较高的刚度，难以测量大范围的力/力矩。

而针对不同领域的需求，对六维力/力矩传感器的性能要求也各不相同，随着空间探测技术、海洋开发技术以及机器人技术的迅速发展，迫切需要研发大量程高精度的多维力/力矩传感器。

为了扩展传感器的刚度，使其具有更高的量程，成倍地扩大传感器的尺寸不仅会成倍地扩大成本和体积，而且使得灵敏度成倍地缩小，因而不是一种优选方式。适当地增加浮动梁的厚度也是提高刚度的一种方式，这种方式的一个显著的局限在于：浮动梁只能在小范围内加厚，超过一定范围会使得传感器应变极小，根本无法测量力和力矩。类似地，采用加粗弹性梁的方法也有这样的问题：灵敏度会降低，且超过一定范围会使得传感器失去感应空间力/力矩性能。

因此，在现有的十字弹性梁结构的基础上，寻求一种量程扩展方法，使得传感器在大量程测量能力下仍保有原有优点，具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，在不改变传感器外围尺寸的条件下，有效地增加其量程，扩展其刚度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于实现量程扩展的六维力和力矩传感器，该传感器包括弹性体和位于弹性体上的应变片；所述的弹性体包括四个固定台，一个中心加载台和四个梁单元，四个固定台均匀分布在中心加载台周边；每个梁单元布设在相邻两个固定台之间；所述的每个梁单元包括外浮动梁、内浮动梁和弹性梁，外浮动梁和内浮动梁相互平行，构成一对双梁，双梁的两端分别固定连接在相邻两个固定台的侧壁上，弹性梁垂直于双梁，且弹性梁的一端固定连接在外浮动梁的内壁上，弹性梁的另一端固定连接在中心加载台的一侧壁上，弹性梁的中部和内浮动梁固定连接；所述的四根弹性梁呈十字形；所述的应变片为六组，粘贴在弹性梁上，且位于弹性梁与中心加载台相接处以及弹性梁与内浮动梁内侧相接处之间；六组应变片设在弹性梁各侧面的中心轴线上，每组应变片组成一个惠斯通全桥。

进一步，所述的弹性体呈整体式结构，且关于笛卡尔三维坐标轴对称，笛卡尔三维坐标轴以弹性体的几何中心为原点，x向沿水平方向，y向与x向在同一平面内，且y向与x向垂直，z向垂直于y向和x向所在的平面。

进一步，所述的内浮动梁至弹性梁与中心加载台相接处的距离为弹性梁长度的0.5—0.8倍，内浮动梁的宽度小于弹性梁长度的十分之一。