[发明专利]一种具有弹性体结构的六维力传感器

说明书

本发明公开了一种具有弹性体结构的六维力传感器，包括水平弹性梁、中心垂直弹性梁、加载轴及外圈固定台，水平弹性梁为十字形结构，水平弹性梁包括四个等长分支，中心垂直弹性梁的一端固定在水平弹性梁十字形结构的中心位置，且与十字形结构所在的面垂直，加载轴安装在中心垂直弹性梁的另一端，外圈固定台为套设在水平弹性梁外侧的圆环状部件，水平弹性梁的四个分支的末端固定在外圈固定台的内侧面，水平弹性梁四个分支的末端为S型结构，水平弹性梁和/或中心垂直弹性梁上还贴覆有应变片。本发明水平弹性梁分支的末端为S型结构，使其在受到相应方向的作用力时作为柔性环节；中心垂直弹性梁的设计减小维间耦合，从而简化解耦算法，提高测量精度。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种具有弹性体结构的六维力传感器。

背景技术

六维力传感器测量的是笛卡尔坐标系三维空间的三维正交力(Fx,Fy,Fz)和三维正交力矩(Mx,My,Mz)，由于其测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合，如机器人末端执行器，汽车行驶过程轮力检测，轮廓跟踪，精密装配，双手协调等，尤其在航空机器人，宇宙空间站对接仿真等场合发挥了极其重要的作用。

十字梁型结构是目前六维力传感器采用最多的一种形式，而电阻应变式测力原理是目前六维力传感器中应用最多的一种。专利CN103528746A中公开了一种十字梁式六维力传感器弹性体，它由四个内梁、四个外梁和四个过载保护梁等组成，可以提高灵敏度，减小维间耦合，但是结构相对复杂。专利CN205333238U中公开了一种结构紧凑的应变式六维力传感器，它包括底座弹性体、十字梁弹性体等，底座弹性体具有一腔体，十字梁弹性体设于腔体内，整体结构较为紧凑。

国际上对多维力/力矩传感器的研究热点多在检测原理、方法创新和新型弹性体结构设计等方面。而多维力/力矩传感器特有的维间耦合成为多维力/力矩传感器存在的主要问题，制约着测量精度，从而直接影响后续的力反馈与力控制性能。

发明内容

发明目的：为了减小六维力传感器的测量误差，本发明提供一种具有弹性体结构的六维力传感器。

技术方案：一种具有弹性体结构的六维力传感器，包括水平弹性梁、中心垂直弹性梁、加载轴及外圈固定台，所述水平弹性梁为十字形结构，水平弹性梁包括四个等长分支，所述中心垂直弹性梁的一端固定在水平弹性梁十字形结构的中心位置，且与十字形结构所在的面垂直，所述加载轴安装在中心垂直弹性梁的另一端，所述外圈固定台为套设在水平弹性梁外侧的圆环状部件，外圈固定台包括内侧面，水平弹性梁的四个分支的末端固定在外圈固定台的内侧面上，水平弹性梁的四个分支的末端均为S型结构，所述水平弹性梁和/或中心垂直弹性梁上还贴覆有应变片。

工作原理：当传感器受到Y方向作用力Fy时，两个X向弹性梁分支发生弯曲变形，两个Y向弹性梁分支发生拉压形变且其变化量很小可忽略，此时其末端S型结构可看作柔性环节，Fy可通过粘贴于X向弹性梁左、右侧面的应变片组成的Wheatstone全桥电路测得；当传感器受到Z方向作用力矩Mz时，两个X向弹性梁分支发生弯曲变形，且两个X向弹性梁分支的左、右侧面的相同位置处产生的形变大小相等、方向相反，Mz即可通过粘贴于X向弹性梁左右侧面的应变片组成的Wheatstone全桥电路测得。

当传感器受到Z方向作用力Fz时，两个Y向弹性梁分支发生弯曲变形，且两个Y向弹性梁分支的上、下表面的相同位置处产生的形变大小相等、方向相反，Fz可通过粘贴于两个Y向弹性梁分支上、下表面的应变片组成的全桥电路测得；当传感器受到X方向力矩Mx时，两个Y向弹性梁分支发生弯曲变形，两个X向弹性梁分支发生扭转变形，且变形量很小可以忽略，Mx可通过粘贴于两个Y向弹性梁分支上下表面的应变片组成的全桥电路测得。

当传感器受到X方向作用力Fx或Y方向力矩My时，中心垂直弹性梁发生较大弯曲变形，且中心垂直弹性梁的前、后侧面的相同位置处产生的应变大小相等、方向相反，Fx和My均可通过粘贴于中心垂直弹性梁前、后侧面的应变片组成的桥路测得。