一種六維力傳感器的製作方法
2023-05-13 04:51:36 1
本發明屬於傳感器技術領域，更具體地說是可用於測量空間六維力的傳感器。
背景技術：
多維力傳感器是機器人獲得與環境之間作用力的重要信息來源。目前已有多方面的多維力傳感器的研究，如美國DraPer研究所研製的Waston多維力傳感器，中科院合肥智能所和東南大學聯合研製的SAFMS型多維力傳感器，基於Stewart平臺的多維力傳感器，黃心漢教授研究的HUST FS6型多維力傳感器，德國的Dr.R.Seitner公司設計的二級並聯結構型六維力傳感器等等。國內外對多維力傳感器做了大量的研究，所設計的多維力傳感器多種多樣，各有不同的優缺點及應用場合，但多維力傳感器的解耦、剛度與靈敏度的矛盾等問題還需得到進一步的研究。
技術實現要素：
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種具有新的結構形式的六維力傳感器，用於實現六維力傳感器在結構上解耦，且在提高傳感器靈敏度的同時保證傳感器的剛度。
本發明為解決技術問題採用如下技術方案：
本發明六維力傳感器的結構特點是：具有周向支撐、中心臺和徑向梁；所述徑向梁均勻分布在中心臺的周邊，徑向梁的一端與中心臺的外側壁呈「T」形連接，徑向梁的另一端與周向支撐的內側壁呈「T」型連接，在所述徑向梁上設有梁通孔，以使應力集中於梁通孔的兩側。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：所述徑向梁共有四隻，四隻徑向梁以中心臺的中心為中心，呈「十」字分布。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：所述中心臺和各徑向梁均呈水平狀態；以中心臺的中心點為坐標原點建立三維坐標系，在所述三維坐標系中，四根徑向梁中第一梁處在X軸正向上，第二梁處在Y軸正向上，第三梁處在X軸負向上，第四梁處在Y軸負向上；Z軸向為豎向。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：所述徑向梁上有一個豎向通孔和兩個水平通孔，布置方式有兩種；
方式一：在各徑向梁上，處在遠離坐標原點的一端設置有豎向徑向梁單通孔；處在靠近坐標原點的一端設置有第一水平徑向梁通孔，處在第一水平徑向梁通孔遠離坐標原點的一側並列有第二水平徑向梁通孔，所述第一水平徑向梁通孔與第二水平徑向梁通孔相互連通形成為水平雙通孔；
方式二：在各徑向梁上，處在徑向梁中間位置上設置有豎向徑向梁單通孔；處在靠近坐標原點的一端設置有第一水平徑向梁通孔，處在遠離坐標原點的一端設置有第二水平徑向梁通孔；
所述四隻徑向梁上第一水平徑向梁通孔處在「十」字對稱的位置上，四隻徑向梁上第二水平徑向通孔亦處在「十」字對稱的位置上；四隻徑向梁上豎向徑向梁單通孔亦處在「十」字對稱位置上。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：在所述徑向梁的表面按如下形式分布應變片：
方式一：
應變片R11、R12、R13和R14構成第一惠斯通全橋電路，所述應變片R11、R12、R13和R14用於檢測X軸方向上的應變，並以此獲得Z軸方向力Fz；其中，應變片R11和R12上下對稱地位於第三梁中對應於第二水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；應變片R13和R14上下對稱地位於第一梁中對應於第二水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；
應變片R21、R22、R23和R24構成第二惠斯通全橋電路，所述應變片R21、R22、R23和R24用於檢測X軸方向上的應變，並以此獲得Y軸方向力矩My；其中，應變片R21和R22上下對稱地位於第三梁中對應於第一水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；應變片R23和R24上下對稱地位於第一梁中對應於第一水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；
應變片R31、R32、R33和R34構成第三惠斯通全橋電路，所述應變片R31、R32、R33和R34用於檢測Y軸方向上的應變，並以此獲得X軸方向力矩Mx；其中，應變片R31和R32上下對稱地位於第二梁中對應於第一水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；應變片R33和R34上下對稱地位於第四梁中對應於第一水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；
方式二：
應變片R11、R12、R13和R14構成第一惠斯通全橋電路，所述應變片R11、R12、R13和R14用於檢測X軸方向上的應變，並以此獲得Z軸方向力Fz；其中，應變片R11和R12上下對稱地位於第三梁中對應於第一水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；應變片R13和R14上下對稱地位於第一梁中對應於第一水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；
應變片R21、R22、R23和R24構成第二惠斯通全橋電路，所述應變片R21、R22、R23和R24用於檢測X軸方向上的應變；並以此獲得Y軸方向力矩My；其中，應變片R21和R22上下對稱地位於第三梁中對應於第二水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；應變片R23和R24上下對稱地位於第一梁中對應於第二水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；
應變片R31、R32、R33和R34構成第三惠斯通全橋電路，所述應變片R31、R32、R33和R34用於檢測Y軸方向上的應變，並以此獲得X軸方向力矩Mx；其中，應變片R31和R32上下對稱地位於第二梁中對應於第二水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；應變片R33和R34上下對稱地位於第四梁中對應於第二水平徑向梁通孔所在位置上的上表面和下表面。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：所述中心臺設置為環體，在所述中心臺上，靠近中心臺與各徑向梁相連接的位置上設置有豎向中心臺通孔，以使應力集中於豎向中心臺通孔的兩側；所述豎向中心臺通孔對應於每隻徑向梁各有一對，一對豎向中心臺通孔分處在徑向梁軸線延長線的兩側左右對稱的位置上。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：在所述中心臺的表面按如下形式分布應變片：
應變片R41、R41』、R42、R42』、R43、R43』、R44和R44』構成第四惠斯通全橋電路，所述應變片R41、R41』、R42、R42』、R43、R43』、R44和R44』用於檢測Y軸方向的應變，並以此獲得X軸方向力Fx；其中：應變片R41、R41』、R43和R43』設置在中心臺的環體的內環表面，R42、R42』、R44和R44』設置在中心臺(2)的環體的外環表面；R41和R42處在對應於第三梁所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第三梁；R41』和R42』處在對應於第三梁所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第三梁；R43和R44處在對應於第一梁所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第一梁，R43』和R44』處在對應於第一梁所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第一梁；
應變片R51、R51』、R52、R52』、R53、R53』、R54和R54』構成第五惠斯通全橋電路，所述應變片R51、R51』、R52、R52』、R53、R53』、R54和R54』用於檢測X軸方向應變，並以此獲Y軸方向力Fy；其中：應變片R51、R51』、R53和R53』設置在中心臺的環體的內環表面，R52、R52』、R54和R54』設置在中心臺的環體的外環表面；R51和R52處在對應於第二梁所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第二梁，R51』和R52』處在對應於第二梁所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第二梁；R53和R54處在對應於第四梁所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第四梁；R53』和R54』處在對應於第四梁所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔的中心，靠近第四梁。
應變片R61、R62、R63和R64構成第六惠斯通全橋電路，所述應變片R61、R62、R63和R64用於檢測X軸方向的應變，並以此獲得Z軸方向力矩Mz；其中，應變片R61和R62左右對稱地位於第三梁中對應於豎向徑向梁單通孔所在位置的左右兩側表面；應變片R63和R64左右對稱地位於第一梁中對應於豎向徑向梁單通孔所在位置的左右兩側表面；應變片R61和R64的位置關於坐標原點對稱。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：
在所述第一惠斯通全橋電路中：R11和R14為相鄰臂，R12和R13為相鄰臂，R11和R13為相對臂，R11和R12的連接點為輸入端A1，R14和R13的連接點為輸入端B1，R11和R14的連接點為輸出端C1，R12和R13的連接點為輸出端D1，在輸入端A1和B1間接入輸入電壓，在輸出端C1和輸出端D1間輸出檢測信號。
在所述第二惠斯通全橋電路中：R21和R23互相鄰臂，R22和R24為相鄰臂，R21和R24為相對臂，R21和R22的連接點為輸入端A2，R23和R24的連接點為輸入端B2，R21和R23的連接點為輸出端C2，R22和R24的連接點為輸出端D2，在輸入端A2和B2間接入輸出電壓，在輸出端C2和輸出端D2間輸出檢測信號電壓連接點。
在所述第三惠斯通全橋電路中：R31和R33互相鄰臂，R32和R34為相鄰臂，R31和R34為相對臂，R31和R32的連接點為輸入端A3，R33和R34的連接點為輸入端B3，R31和R33的連接點為輸出端C3，R32和R34的連接點為輸出端D3，在輸入端A3和B3間接入輸出電壓，在輸出端C3和輸出端D3間輸出檢測信號電壓連接點。
本發明六維力傳感器的結構特點也在於：
在所述第四惠斯通全橋電路中：R41和R41』串聯為第一臂，R42和R42』串聯為第二臂，R43和R43』串聯為第三臂，R44和R44』串聯為第四臂，第一臂與第二臂的連接點為輸出端A4，第三臂與第四臂的連接點為輸入端B4，第一臂與第三臂的連接點為輸出端C4，第二臂與第四臂的連接點為輸出端D4，在輸出端A4和B4間接入輸入電壓，在輸出端C4和D4間輸出檢測信號。
在所述第五惠斯通全橋電路中：R51和R51』串聯為第一臂，R52和R52』串聯為第二臂，R53和R53』串聯為第三臂，R54和R54』串聯為第四臂，第一臂與第二臂的連接點為輸出端A5，第三臂與第四臂的連接點為輸入端B5，第一臂與第三臂的連接點為輸出端C5，第二臂與第四臂的連接點為輸出端D5，在輸出端A5和B5間接入輸入電壓，在輸出端C5和D5間輸出檢測信號。
在所述第六惠斯通全橋電路中：R61和R63互相鄰臂，R62和R64為相鄰臂，R61和R64為相對臂，R61和R62的連接點為輸入端A6，R63和R64的連接點為輸入端B6，R61和R63的連接點為輸出端C6，R62和R64的連接點為輸出端D6，在輸入端A6和B6間接入輸入電壓，在輸出端C6和輸出端D6間輸出檢測信號電壓連接點。
與已有技術相比，本發明有益效果體現在：
1、本發明實現了結構解耦。針對本發明中彈性體的結構形式，可以在徑向梁和周向梁的不同位置上粘貼電阻應變片，根據力傳感器原理，運用惠斯通全橋電路，實現六維力測量，並能有效避免維間力的相互幹擾。
2、本發明能獲得較高的檢測靈敏度，各徑向梁和周向梁上開設的通孔，使應變集中在所測區域。
3、本發明中中心臺上採用「工」字型結構，有效提高了傳感器結構的動態性能。
4、本發明彈性體可整體加工，減少重複性誤差，其結構簡單，易於加工。
附圖說明
圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明中徑向梁及中心臺上表面應變片分布示意圖；
圖3為本發明中徑向梁及中心臺下表面應變片分布示意圖；
圖4a為本發明中第一惠斯通全橋電路a原理圖；
圖4b為本發明中第二惠斯通全橋電路b原理圖；
圖4c為本發明中第三惠斯通全橋電路c原理圖；
圖4d為本發明中第四惠斯通全橋電路d原理圖；
圖4e為本發明中第五惠斯通全橋電路e原理圖；
圖4f為本發明中第六惠斯通全橋電路f原理圖；
圖中標號：1周向支撐，2中心臺，3徑向梁，3a第一梁，3b第二梁，3c第三梁，3d第四梁，4豎向徑向梁單通孔，5第二水平徑向梁通孔，6豎向中心臺通孔，7第一水平徑向梁通孔。
具體實施方式
參見圖1、圖2和圖3，本實施例中六維力傳感器具有周向支撐1、中心臺2和徑向梁3；
徑向梁3均勻分布在中心臺2的周邊，徑向梁3的一端與中心臺2的外側壁呈「T」形連接，徑向梁3的另一端與周向支撐1的內側壁呈「T」型連接，在徑向梁3上設有梁通孔，以使應力集中於梁通孔的兩側。
圖1所示徑向梁3共有四隻，四隻徑向梁3以中心臺1的中心為中心，呈「十」字分布；中心臺2和各徑向梁3均呈水平狀態；以中心臺1的中心點為坐標原點建立三維坐標系，在三維坐標系中，四根徑向梁中第一梁3a處在X軸正向上，第二梁3b處在Y軸正向上，第三梁3c處在X軸負向上，第四梁3d處在Y軸負向上；Z軸向為豎向。
本實施例中徑向梁3上有一個豎向通孔和兩個水平通孔，圖1所示結構中，在各徑向梁3上，處在遠離坐標原點的一端設置有豎向徑向梁單通孔4；處在靠近坐標原點的一端設置有第一水平徑向梁通孔7，處在第一水平徑向梁通孔7遠離坐標原點的一側並列有第二水平徑向梁通孔5，第一水平徑向梁通孔7與第二水平徑向梁通孔5相互連通形成為水平雙通孔。除此之外，也可以將徑向梁3上的一個豎向通孔和兩個水平通孔設置為：在各徑向梁3上，處在徑向梁3中間位置上設置有豎向徑向梁單通孔4；處在靠近坐標原點的一端設置有第一水平徑向梁通孔7，處在遠離坐標原點的一端設置有第二水平徑向梁通孔5。
四隻徑向梁上第一水平徑向梁通孔7處在「十」字對稱的位置上，四隻徑向梁上第二水平徑向通孔5亦處在「十」字對稱的位置上；四隻徑向梁上豎向徑向梁單通孔4亦處在「十」字對稱位置上。
本實施例中，如圖2和圖3所示，在徑向梁3的表面按如下形式分布應變片：
應變片R11、R12、R13和R14構成第一惠斯通全橋電路a，應變片R11、R12、R13和R14用於檢測X軸方向上的應變，並以此獲得Z軸方向力Fz；其中，應變片R11和R12上下對稱地位於第三梁3c中對應於第二水平徑向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面；應變片R13和R14上下對稱地位於第一梁3a中對應於第二水平徑向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面。
應變片R21、R22、R23和R24構成第二惠斯通全橋電路b，應變片R21、R22、R23和R24用於檢測X軸方向上的應變，並以此獲得Y軸方向力矩My；其中，應變片R21和R22上下對稱地位於第三梁3c中對應於第一水平徑向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面；應變片R23和R24上下對稱地位於第一梁3a中對應於第一水平徑向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面。
應變片R31、R32、R33和R34構成第三惠斯通全橋電路c，應變片R31、R32、R33和R34用於檢測Y軸方向上的應變，並以此獲得X軸方向力矩Mx；其中，應變片R31和R32上下對稱地位於第二梁3b中對應於第一水平徑向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面；應變片R33和R34上下對稱地位於第四梁3d中對應於第一水平徑向梁7通孔所在位置上的上表面和下表面。
本實施例中，對於圖1、圖2和圖3所示的結構形式，將中心臺2設置為環體，在中心臺2上，靠近中心臺2與各徑向梁3相連接的位置上設置有豎向中心臺通孔6，以使應力集中於豎向中心臺通孔6的兩側，中心臺上的豎向中心臺通孔6使中心臺與徑向梁連接端形成「工」字型結構，可以有效提高傳感器結構的動態性能；豎向中心臺通孔6對應於每隻徑向梁3各有一對，一對豎向中心臺通孔6分處在徑向梁3軸線延長線的兩側左右對稱的位置上；在中心臺2的表面按如下形式分布應變片：
應變片R41、R41』、R42、R42』、R43、R43』、R44和R44』構成第四惠斯通全橋電路d，應變片R41、R41』、R42、R42』、R43、R43』、R44和R44』用於檢測Y軸方向的應變，並以此獲得X軸方向力Fx；其中：應變片R41、R41』、R43和R43』設置在中心臺2的環體的內環表面，R42、R42』、R44和R44』設置在中心臺2的環體的外環表面；R41和R42處在對應於第三梁3c所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第三梁3c；R41』和R42』處在對應於第三梁3c所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第三梁3c；R43和R44處在對應於第一梁3a所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第一梁3a，R43』和R44』處在對應於第一梁3a所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第一梁3a。
應變片R51、R51』、R52、R52』、R53、R53』、R54和R54』構成第五惠斯通全橋電路e，應變片R51、R51』、R52、R52』、R53、R53』、R54和R54』用於檢測X軸方向應變，並以此獲Y軸方向力Fy；其中：應變片R51、R51』、R53和R53』設置在中心臺2的環體的內環表面，R52、R52』、R54和R54』設置在中心臺2的環體的外環表面；R51和R52處在對應於第二梁3b所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第二梁3b，R51』和R52』處在對應於第二梁3b所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第二梁3b；R53和R54處在對應於第四梁3d所在位置一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第四梁3d；R53』和R54』處在對應於第四梁3d所在位置另一隻豎向中心臺通孔的兩側，其位置偏離豎向中心臺通孔6的中心，靠近第四梁3d。
應變片R61、R62、R63和R64構成第六惠斯通全橋電路f，應變片R61、R62、R63和R64用於檢測X軸方向的應變，並以此獲得Z軸方向力矩Mz；其中，應變片R61和R62左右對稱地位於第三梁3c中對應於豎向徑向梁單通孔4所在位置的左右兩側表面；應變片R63和R64左右對稱地位於第一梁3a中對應於豎向徑向梁單通孔4所在位置的左右兩側表面；應變片R61和R64的位置關於坐標原點對稱。
參見圖4a，本實施例中第一惠斯通全橋電路a的結構形式是：R11和R14為相鄰臂，R12和R13為相鄰臂，R11和R13為相對臂，R11和R12的連接點為輸入端A1，R14和R13的連接點為輸入端B1，R11和R14的連接點為輸出端C1，R12和R13的連接點為輸出端D1，在輸入端A1和B1間接入輸入電壓，在輸出端C1和輸出端D1間輸出檢測信號。
參見圖4b，本實施例中第二惠斯通全橋電路b的結構形式是：R21和R23互相鄰臂，R22和R24為相鄰臂，R21和R24為相對臂，R21和R22的連接點為輸入端A2，R23和R24的連接點為輸入端B2，R21和R23的連接點為輸出端C2，R22和R24的連接點為輸出端D2，在輸入端A2和B2間接入輸出電壓，在輸出端C2和輸出端D2間輸出檢測信號電壓連接點。
參見圖4c，本實施例中第三惠斯通全橋電路c的結構形式是：R31和R33互相鄰臂，R32和R34為相鄰臂，R31和R34為相對臂，R31和R32的連接點為輸入端A3，R33和R34的連接點為輸入端B3，R31和R33的連接點為輸出端C3，R32和R34的連接點為輸出端D3，在輸入端A3和B3間接入輸出電壓，在輸出端C3和輸出端D3間輸出檢測信號電壓連接點。
參見圖4d，本實施例中第四惠斯通全橋電路d的結構形式是：R41和R41』串聯為第一臂，R42和R42』串聯為第二臂，R43和R43』串聯為第三臂，R44和R44』串聯為第四臂，第一臂與第二臂的連接點為輸出端A4，第三臂與第四臂的連接點為輸入端B4，第一臂與第三臂的連接點為輸出端C4，第二臂與第四臂的連接點為輸出端D4，在輸出端A4和B4間接入輸入電壓，在輸出端C4和D4間輸出檢測信號。
參見圖4e，本實施例中第五惠斯通全橋電路e結構形式是：R51和R51』串聯為第一臂，R52和R52』串聯為第二臂，R53和R53』串聯為第三臂，R54和R54』串聯為第四臂，第一臂與第二臂的連接點為輸出端A5，第三臂與第四臂的連接點為輸入端B5，第一臂與第三臂的連接點為輸出端C5，第二臂與第四臂的連接點為輸出端D5，在輸出端A5和B5間接入輸入電壓，在輸出端C5和D5間輸出檢測信號。
參見圖4f，本實施例中第六惠斯通全橋電路f結構形式是：R61和R63互相鄰臂，R62和R64為相鄰臂，R61和R64為相對臂，R61和R62的連接點為輸入端A6，R63和R64的連接點為輸入端B6，R61和R63的連接點為輸出端C6，R62和R64的連接點為輸出端D6，在輸入端A6和B6間接入輸入電壓，在輸出端C6和輸出端D6間輸出檢測信號電壓連接點。
具體實施中，除了本實施例中給出的結構形式，在徑向梁3的表面也可以按如下形式分布應變片：
應變片R11、R12、R13和R14構成第一惠斯通全橋電路a，應變片R11、R12、R13和R14用於檢測X軸方向上的應變，並以此獲得Z軸方向力Fz；其中，應變片R11和R12上下對稱地位於第三梁3c中對應於第一水平徑向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面；應變片R13和R14上下對稱地位於第一梁3a中對應於第一水平徑向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面。
應變片R21、R22、R23和R24構成第二惠斯通全橋電路b，應變片R21、R22、R23和R24用於檢測X軸方向上的應變；並以此獲得Y軸方向力矩My；其中，應變片R21和R22上下對稱地位於第三梁3c中對應於第二水平徑向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面；應變片R23和R24上下對稱地位於第一梁3a中對應於第二水平徑向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面。
應變片R31、R32、R33和R34構成第三惠斯通全橋電路c，應變片R31、R32、R33和R34用於檢測Y軸方向上的應變，並以此獲得X軸方向力矩Mx；其中，應變片R31和R32上下對稱地位於第二梁3b中對應於第二水平徑向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面；應變片R33和R34上下對稱地位於第四梁3d中對應於第二水平徑向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面。
應變片的貼片位置以及惠斯通全橋電路的連接，可以使得該六維力傳感器在結構上實現完全解耦，測量其中一個力或力矩時，其它力或力矩對其測量沒有影響。