一種雙孔平行梁式六維力傳感器的製作方法
2023-06-04 05:19:55
本發明屬於傳感器技術領域，尤其涉及一種雙孔平行梁式六維力傳感器。
背景技術：
隨著機器人技術的飛速發展，對於具有多傳感器感知的機器人提出了更高的要求。力覺作為機器人一個非常重要的功能，在機器人發展中起著至關重要的作用。作為感知機器人力覺最重要的一種傳感器，六維力傳感器在機器人的腕部力感知、機器人靈巧手指尖力檢測、仿人機器人足部力測量等方面發揮著巨大的作用。因此，六維力傳感器的相關技術是機器人領域的一大研究熱點和難點問題。六維力傳感器的靈敏度、維間耦合、線性度、精度和遲滯是影響傳感器使用性能的幾個最重要指標。如何提高六維力傳感器的靈敏度、線性度和精度，降低維間耦合、減小遲滯一直以來是備受研究的焦點問題，但迄今為止並沒有一個很好的解決方法。
現有的用於檢測六維力傳感器受力後的彈性體彈性梁往往為實心梁，如專利cn103940544b、cn103487194b、cn103528746b、cn103528726b、cn104048790a、cn100535620c、cn105651446a等，該結構的優點是傳感器的剛度大、遲滯小，但缺點是靈敏度低、維間耦合大、非線性度大、精度低。為了提高傳感器的降低維間耦合，專利cn10149102b將彈性體梁的寬度降低，從而將實心梁結構變成了板結構，該結構雖然可以減小維間耦合，但會造成傳感器的剛度降低，不適合於要求較高剛度的工業機器人領域。專利cn102853958b採用了雙懸臂彈性梁的方式進行六維力傳感器的檢測，但是該傳感器的結構形式不夠緊湊，並不適合於要求空間有限的工業機器人腕部的六維力傳感器檢測。專利cn106225977a採用了單向傳感器提高測量精度，單向傳感器的彈性梁為雙目結構，但是該專利的彈性體為組合的彈性體，因此存在間隙、預緊力不一致等問題，從而導致六維力傳感器存在較大的滯後效應，影響重複精度等。美國發明專利us6871552b2將實心彈性梁結構變為盲孔彈性梁，雖然該結構可以有效提高傳感器測量精度，但考慮到粘貼應變片的盲孔厚度要求非常小，從而導致盲孔結構的彈性梁難以加工，工藝性差。
技術實現要素：
本發明是為了解決現有技術中六維力傳感器靈敏度低、維間耦合大、非線性度大、精度低和遲滯大的問題，現提供一種雙孔平行梁式六維力傳感器。
一種雙孔平行梁式六維力傳感器包括：外殼1、多個下端固定螺釘2、上端蓋3、彈性體4、多個上端固定螺釘5和多個電阻應變片6；
外殼1為圓桶形，外殼1底面的中心開有中心通孔，上端蓋3為圓環形，
彈性體4包括：四個內彈性梁4-1、四個外彈性梁4-2、八個浮動梁4-4、四個固定臺4-5和加載臺4-6；
加載臺4-6為圓筒形，四個內彈性梁4-1的一端均固定在加載臺4-6外側，且四個內彈性梁4-1在加載臺4-6外側均勻排布，四個外彈性梁4-2分別固定在四個內彈性梁4-1的另一端，外彈性梁4-2與內彈性梁4-1相互垂直，四個固定臺4-5分別位於相鄰的兩個外彈性梁4-2之間，固定臺4-5的兩端分別通過浮動梁4-4與其相鄰的外彈性梁4-2相連，浮動梁4-4的厚度小於其長度或寬度的十分之一，
每個外彈性梁4-2上均開有兩個外彈性梁孔4-3，兩個外彈性梁孔4-3以外彈性梁4-2的中線為對稱軸對稱設置的上下通孔，每個內彈性梁4-1上均開有一個周向的內彈性梁孔4-9，
每個內彈性梁4-1的上下兩面均設有兩個電阻應變片6，且電阻應變片6均與其所在內彈性梁4-1的內彈性梁孔4-9相對應，每個外彈性梁4-2的外側均設有四個電阻應變片6，兩個電阻應變片6為一組，每組電阻應變片6均與其所在外彈性梁4-2的兩個外彈性梁孔4-3一一對應，
彈性體4位於外殼1腔內，上端蓋3蓋在外殼1的開口處，上端蓋3的上表面與外殼1的開口端面齊平，外殼1、上端蓋3和彈性體4同軸設置，上端蓋3的外徑小於外殼1的內徑，外殼1與彈性體4通過多個下端固定螺釘2固定連接，上端蓋3與彈性體4通過多個上端固定螺釘5固定連接。
外殼1的底面上開有8個外殼螺紋孔1-1和8個外殼通孔1-2，上端蓋3上開有8個上端蓋螺紋孔3-1和8個上端蓋通孔3-2，
8個外殼螺紋孔1-1兩兩一組共構成4組螺紋孔組，4組螺紋孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組螺紋孔組之間間隔90°，8個外殼通孔1-2兩兩一組共構成4組通孔組，4組通孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組通孔組之間間隔90°，4組螺紋孔組所在圓周半徑小於4組通孔組所在圓周半徑，
8個上端蓋螺紋孔3-1沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的兩個上端蓋螺紋孔3-1之間間隔45°，8個上端蓋通孔3-2沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的上端蓋通孔3-2之間間隔45°，8個上端蓋螺紋孔3-1所在圓周半徑大於8個上端蓋通孔3-2所在圓周半徑。
加載臺4-6上設有8個載臺螺紋孔4-7，8個載臺螺紋孔4-7分別與8個上端蓋通孔3-2一一正對，上端固定螺釘5穿過上端蓋通孔3-2與螺紋孔4-7實現螺紋連接，
每個固定臺4-5上均設有兩個固定臺螺紋孔4-8，8個固定臺螺紋孔4-8分別與8個外殼通孔1-2一一正對，下端固定螺釘2穿過外殼通孔1-2與固定臺螺紋孔4-8實現螺紋連接。
本發明提供的一種雙孔平行梁式六維力傳感器，採用彈性梁為雙孔平行梁以提高靈敏度、精度並降低維間耦合，通過改變矩形截面的倒圓角尺寸來提高傳感器的線性度。
本發明具有以下有益效果：
一、針對現有的六維力傳感器的彈性梁為實心梁，因此導致傳感器的靈敏度低，並且導致傳感器的維間耦合大。因此，本發明結合單維拉壓力傳感器所經常採用的雙孔平行梁結構對現有的六維力傳感器彈性體進行改進。在彈性體的內彈性體梁上加工出內彈性梁孔，在外彈性體梁上加工出外彈性梁孔。該方式相對於傳統的實心彈性梁具有靈敏度高、維間耦合小、線性度好等優點。
二、本發明採用的內彈性梁孔和外彈性梁孔為通孔，通孔形式的截面為帶倒圓角的矩形。根據六維力傳感器不同的使用量程要求，通過改變矩形截面的長度和寬度尺寸來影響傳感器的靈敏度，通過改變矩形截面的倒圓角尺寸來影響傳感器的線性度。
附圖說明
圖1是具體實施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器的剖視圖；
圖2是彈性體的主視圖；
圖3是彈性體的後視圖；
圖4是的彈性體的剖面圖。
具體實施方式
具體實施方式一：參照圖1至圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器包括：外殼1、多個下端固定螺釘2、上端蓋3、彈性體4、多個上端固定螺釘5和多個電阻應變片6；
外殼1為圓桶形，外殼1底面的中心開有中心通孔，上端蓋3為圓環形，
彈性體4包括：四個內彈性梁4-1、四個外彈性梁4-2、八個浮動梁4-4、四個固定臺4-5和加載臺4-6；
加載臺4-6為圓筒形，四個內彈性梁4-1的一端均固定在加載臺4-6外側，且四個內彈性梁4-1在加載臺4-6外側均勻排布，四個外彈性梁4-2分別固定在四個內彈性梁4-1的另一端，外彈性梁4-2與內彈性梁4-1相互垂直，四個固定臺4-5分別位於相鄰的兩個外彈性梁4-2之間，固定臺4-5的兩端分別通過浮動梁4-4與其相鄰的外彈性梁4-2相連，浮動梁4-4的厚度小於其長度或寬度的十分之一，
每個外彈性梁4-2上均開有兩個外彈性梁孔4-3，兩個外彈性梁孔4-3以外彈性梁4-2的中線為對稱軸對稱設置的上下通孔，每個內彈性梁4-1上均開有一個周向的內彈性梁孔4-9，
每個內彈性梁4-1的上下兩面均設有兩個電阻應變片6，且電阻應變片6均與其所在內彈性梁4-1的內彈性梁孔4-9相對應，每個外彈性梁4-2的外側均設有四個電阻應變片6，兩個電阻應變片6為一組，每組電阻應變片6均與其所在外彈性梁4-2的兩個外彈性梁孔4-3一一對應，
彈性體4位於外殼1腔內，上端蓋3蓋在外殼1的開口處，上端蓋3的上表面與外殼1的開口端面齊平，外殼1、上端蓋3和彈性體4同軸設置，上端蓋3的外徑小於外殼1的內徑，外殼1與彈性體4通過多個下端固定螺釘2固定連接，上端蓋3與彈性體4通過多個上端固定螺釘5固定連接。
本實施方式中，內彈性梁4-1和外彈性梁4-2相互垂直並構成t型梁結構；內彈性體梁4-1和其上的內彈性梁孔4-9構成了雙孔平行梁；外彈性梁4-2和其上的外彈性梁孔4-3構成了雙孔平行梁。在內彈性梁4-1和外彈性梁4-2的合適部位粘貼32片電阻應變片6，共構成8組惠斯通全橋電路，用於實現六維力信息的測量，其中的2組惠斯通全橋電路可作為備份。本實施方式具有結構緊湊、維間耦合小、靈敏度大、線性度好、精度高、遲滯小等特點。
具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進一步說明，本實施方式中，外殼1的底面上開有8個外殼螺紋孔1-1和8個外殼通孔1-2，上端蓋3上開有8個上端蓋螺紋孔3-1和8個上端蓋通孔3-2，
8個外殼螺紋孔1-1兩兩一組共構成4組螺紋孔組，4組螺紋孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組螺紋孔組之間間隔90°，8個外殼通孔1-2兩兩一組共構成4組通孔組，4組通孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組通孔組之間間隔90°，4組螺紋孔組所在圓周半徑小於4組通孔組所在圓周半徑，
8個上端蓋螺紋孔3-1沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的兩個上端蓋螺紋孔3-1之間間隔45°，8個上端蓋通孔3-2沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的上端蓋通孔3-2之間間隔45°，8個上端蓋螺紋孔3-1所在圓周半徑大於8個上端蓋通孔3-2所在圓周半徑。
本實施方式所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器在實際應用時，傳感器通過外殼螺紋孔1-1和上端蓋螺紋孔3-1與外部進行連接，從而用於實際工況的六維力信息檢測。
具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式二所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進一步說明，本實施方式中，加載臺4-6上設有8個載臺螺紋孔4-7，8個載臺螺紋孔4-7分別與8個上端蓋通孔3-2一一正對，上端固定螺釘5穿過上端蓋通孔3-2與螺紋孔4-7實現螺紋連接，
每個固定臺4-5上均設有兩個固定臺螺紋孔4-8，8個固定臺螺紋孔4-8分別與8個外殼通孔1-2一一正對，下端固定螺釘2穿過外殼通孔1-2與固定臺螺紋孔4-8實現螺紋連接。
具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進一步說明，本實施方式中，所有電阻應變片6均粘貼在彈性體4上，內彈性梁4-1和外彈性梁4-2上的電阻應變片6均沿所在梁的長度方向排布。
如圖2和圖3所示，建立三維坐標系，將加載臺4-6的圓心作為坐標原點o，加載臺4-6的軸向為z軸，電阻應變片r19、r20、r25和r26的排布方向為x軸，電阻應變片r23、r24、r29和r30的排布方向為y軸，
電阻應變片r21、r22、r31、r32構成一個惠斯通全橋，用於測量彎矩mx；
電阻應變片r19、r20、r25、r26構成一個惠斯通全橋，用於測量彎矩my；
電阻應變片r1、r2、r11、r12構成一個惠斯通全橋，用於測量扭矩mz；
電阻應變片r7、r8、r13、r14構成一個惠斯通全橋，用於測量扭矩mz；
電阻應變片r3、r4、r9、r10構成一個惠斯通全橋，用於測量切向力fx；
電阻應變片r5、r6、r15、r16構成一個惠斯通全橋，用於測量切向力fy；
電阻應變片r17、r18、r27、r28構成一個惠斯通全橋，用於測量軸向力fz；
電阻應變片r23、r24、r29、r30構成一個惠斯通全橋，用於測量軸向力fz。
所有電阻應變片的初始電阻值相等，構成上述八組測量惠斯通全橋，實現將力信息轉化成電壓信號，通過標定、解耦，可以對六維力信息同時感知。
具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進一步說明，本實施方式中，內彈性梁孔4-9截面形狀和外彈性梁孔4-3的截面形狀均為帶倒圓角的矩形。
實際應用時，內彈性梁孔4-9的截面矩形的長度、寬度和倒圓角的尺寸均可以調整，且四個倒圓角大小相等；外彈性梁孔4-3的截面矩形的長度、寬度和倒圓角的尺寸均可以調整，且四個倒圓角大小相等。
具體實施方式六：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進一步說明，本實施方式中，彈性體4的材質為硬鋁合金、不鏽鋼或合金結構鋼，彈性體4由整體材料一次性加工完成。