阅读说明：本技术 一种航天机械臂用具有容错能力的六维力和力矩传感器 (A kind of six-dimensional force and torque sensor of the space flight mechanical arm with fault-tolerant ability ) 是由 韩康 陈立恒 夏明一 霍琦 李昂 盛展翊 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种航天机械臂用具有容错能力的六维力和力矩传感器,采用双层结构,主要包括加载块、固定块、应变梁、浮动梁和应变片；其中加载块与六根应变梁位于同一平面内,应变梁均匀的分布在加载块的周围,固定块位于另一平面内,固定块与应变梁之间通过竖直的浮动梁进行连接；各应变梁沿其上下表面及左右表面均贯穿设有竖直方向和水平方向的载荷集中槽,以提高力与力矩测量的灵敏度；应变片粘贴在应变梁上相应的载荷集中位置；通过分布在六根应变梁上的48个应变片,组成12路全桥电路,对三个方向上的力和力矩等六个数据进行测量。本申请所提供的传感器,通过六个应变梁,实现检测备份效果,达到六维力传感器测量的冗余和容错,可靠性和寿命。(This application discloses six-dimensional force and torque sensor of a kind of space flight mechanical arm with fault-tolerant ability, mainly include loading blocks, fixed block, strain beam, floating beam and foil gauge using double-layer structure；Wherein loading blocks are in the same plane with six roots of sensation strain beam, and strain beam is evenly distributed in around loading blocks, and fixed block is located in another plane, are attached between fixed block and strain beam by vertical floating beam；Each strain beam runs through the load concentration slot being equipped with vertically and horizontally along its upper and lower surface and left and right surface, to improve the sensitivity of power and torgue measurement；Strain gauge adhesion corresponding load concentration position on strain beam；By 48 foil gauges being distributed on six roots of sensation strain beam, 12 road full-bridge circuits are formed, six data of power and torque etc. on three directions are measured.Sensor provided herein realizes detection backup effect by six strain beams, reaches redundancy and fault-tolerant, reliability and service life that six-dimension force sensor measures.)

一种航天机械臂用具有容错能力的六维力和力矩传感器

技术领域

本申请涉及传感器设备领域，特别是涉及一种航天机械臂用具有容错能力的六维力和力矩传感器。

背景技术

六维力传感器能够同时测量空间坐标系内三个方向上的力和力矩，广泛应用与机械臂的末端感知***作物体的受力情况，实现力适应控制。为实现末端所受力与力矩的准确测量，六维力传感器必须串联到力与力矩的传递路径中。若按照传统的双备份方式，需要在末端串联两个六维力传感器，这样不仅增加了成本，也会降低整个机械臂的刚度，增加力传感器的安装空间。六维力传感器根据将力矩信号转换为电信号的原理不同，可以分为光电式、压电式、电容式和应变式等不同的类型，其中应变式可靠性高、稳定性好，应用也最广泛。

现有技术中，一般采用十字梁结构，通过内、外两层浮动梁实现和六组应变片，在***尺寸不变的条件下增加传感器量程并扩展其刚度，其容错能力差，当出现故障时，需要维修或更换才可继续使用。

现有技术中，为了提高六维力传感器的强度，还存在八梁结构，其中四个主梁十字形布置，四个副梁与主梁成45°角均匀布置，同时设计四个主浮动梁和四个副浮动梁，以提高力的测量刚度实现大力与小力矩的测量，其八梁结构的设置，是为了提高强度，对于容错能力没有帮助。另外，还存在一种双十字梁高灵敏度六维力矩传感器，采用不同开槽方向的两层十字梁，分别测量不同方向的力或者力矩，提升各方向测量的灵敏度同时减少维间干扰，但是结构复杂，加工成本高。

因此，如何提高六维力和力矩传感器的容错能力，减少更换和维护，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

申请内容

本申请的目的是提供一种六维力和力矩传感器，该六维力和力矩传感器，通过备份，具有较高的容错能力，可应用于航天机械臂及其他一些可靠性要求高，且更换困难的场合。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种航天机械臂用具有容错能力的六维力和力矩传感器，包括固定块、加载块和应变梁；所述应变梁连接于所述固定块和所述加载块之间，所述加载梁的个数为至少六个，沿所述加载块的周向均匀分布；各所述应变梁沿其上下表面均贯穿设有竖直方向载荷集中槽，所述应变梁的左右两侧靠近所述竖直方向载荷集中槽的位置均设有至少一处应变片；包括浮动梁，所述浮动梁连接于所述应变梁与所述固定块之间，使得所述应变梁与所述固定块处于不同的平面上；所述应变梁的左右两侧贯穿设有水平方向载荷集中槽，所述应变梁的上下表面靠近所述水平方向载荷集中槽的位置均设有至少一处应变片；靠近Y轴正方向的所述应变梁与所述Y轴正方向之间的夹角为10-20°。

优选的，所述浮动梁的延伸方向垂直于所述固定块的上表面。

优选的，所述浮动梁呈板状或圆柱状。

优选的，所述固定块和所述加载块均呈环形，所述浮动梁连接于所述固定块的上表面外侧。

优选的，所述固定块和所述加载块上均设有螺栓孔。

优选的，各处所述应变片的个数均为两个，所述6根应变梁的四个平面均粘贴有所述应变片，共粘贴48个所述应变片，组成12个全桥电路，对三个方向上的力和力矩6个数据进行测量，每个方向上的力或者力矩均有一个主份和两个备份，实现冗余设计。

优选的，所述竖直方向载荷集中槽与所述水平方向载荷集中槽均为方形槽，与所述竖直方向载荷集中槽对应的应变片设置在所述应变梁靠近所述应变梁的一端。

优选的，该六维力和力矩传感器为一体成型结构，所述加载块和所述应变梁位于同一平面内，所述固定块位于另外一个平面内，两个平面之间通过竖直的所述浮动梁进行连接。

优选的，六根所述应变梁的结构及所述应变片的粘贴位置均相同，六根所述浮动梁的结构相同，该具有容错能力的航天机械臂用具有容错能力的六维力和力矩传感器为中心对称结构。

本申请所提供的六维力和力矩传感器，包括固定块、加载块和应变梁；所述应变梁连接于所述固定块和所述加载块之间，所述加载梁的个数为至少六个，沿所述加载块的周向均匀分布；各所述应变梁沿其上下表面均贯穿设有竖直方向载荷集中槽，所述应变梁的左右两侧靠近所述竖直方向载荷集中槽的位置均设有至少一处应变片；还包括浮动梁，所述浮动梁连接于所述应变梁与所述固定块之间，使得所述应变梁与所述固定块处于不同的平面上；所述应变梁的左右两侧贯穿设有水平方向载荷集中槽，所述应变梁的上下表面靠近所述水平方向载荷集中槽的位置均设有至少一处应变片；且靠近Y轴正方向的所述应变梁与所述Y轴正方向之间错开的角度为10-20°。本申请所提供的六维力和力矩传感器，通过至少六个所述加载梁的设置，并且在每个所述加载梁上均设置所述应变片，实现检测备份效果，提高传感器的容错能力，进而提高传感器整体的可靠性和寿命；并通过将固定块和加载块设置在不同的平面内，使得应变梁可以同时加工竖直方向和水平方向两个相互垂直的载荷集中槽，提高传感器各方向上的测量灵敏度；另外，通过应变梁与Y轴正方向的角度错开，可以达到平衡X、Y方向上力与力矩灵敏度的目的，进而提高传感器整体的灵敏度。

具体实施方式

的结构示意图；

图2为本申请所提供的六维力和力矩传感器的俯视图；

图3为本申请所提供的六维力和力矩传感器的仰视图；

其中：固定块(1)、应变梁(2)、加载块(3)、水平方向载荷集中槽(4)、竖直方向载荷集中槽(5)、浮动梁(6)、应变片(7)、第一应变梁(2-1)、第二应变梁(2-2)、第三应变梁(2-3)、第四应变梁(2-4)、第五应变梁(2-5)、第六应变梁(2-6)、应变片一(7-1)、应变片二(7-2)、应变片三(7-3)、应变片四(7-4)、应变片五(7-5)、应变片六(7-6)、应变片七(7-7)、应变片八(7-8)、应变片九(7-9)、应变片十(7-10)、应变片十一(7-11)、应变片十二(7-12)、应变片十三(7-13)、应变片十四(7-14)、应变片十五(7-15)、应变片十六(7-16)、应变片十七(7-17)、应变片十八(7-18)、应变片十九(7-19)、应变片二十(7-20)、应变片二十一(7-21)、应变片二十二(7-22)、应变片二十三(7-23)、应变片二十四(7-24)、应变片二十五(7-25)、应变片二十六(7-26)、应变片二十七(7-27)、应变片二十八(7-28)、应变片二十九(7-29)、应变片三十(7-30)、应变片三十一(7-31)、应变片三十二(7-32)、应变片三十三(7-33)、应变片三十四(7-34)、应变片三十五(7-35)、应变片三十六(7-36)、应变片三十七(7-37)、应变片三十八(7-38)、应变片三十九(7-39)、应变片四十(7-40)、应变片四十一(7-41)、应变片四十二(7-42)、应变片四十三(7-43)、应变片四十四(7-44)、应变片四十五(7-45)、应变片四十六(7-46)、应变片四十七(7-47)、应变片四十八(7-48)。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种六维力和力矩传感器，该六维力和力矩传感器通过增加应变梁的个数达到备份的目的，不会增加备份所需的空间和降低传感器的刚度。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1至图3，图1为本申请所提供的六维力和力矩传感器一种具体实施方式的结构示意图；图2为本申请所提供的六维力和力矩传感器的俯视图；图3为本申请所提供的六维力和力矩传感器的仰视图。

在该实施方式中，具有容错能力的六维力和力矩传感器，主要应用于精度要求较高或者更换困难的场合中，例如航天机械臂上，该六维力和力矩传感器包括固定块1、加载块3和应变梁2。

其中，应变梁2连接于固定块1和加载块3之间，加载梁的个数为六个，沿加载块3的周向均匀分布；各应变梁2沿其上下表面均贯穿设有竖直方向载荷集中槽5，应变梁2的左右两侧靠近竖直方向载荷集中槽5的位置均设有至少一处应变片7。

本申请所提供的六维力和力矩传感器，通过六个加载梁的设置，并且在每个加载梁上均设置应变片7，实现检测备份效果，提高传感器的容错能力，进而提高传感器整体的可靠性和寿命。

这里需要说明的是，本实施例中所指的竖直方向和水平方向，是在如图1所示的固定块1水平放置时而言的，当固定块1的位置发生变化时，竖直方向和水平方向应当相应的发生变化。

在上述各实施方式的基础上，还包括浮动梁6，浮动梁6连接于应变梁2与固定块1之间，使得应变梁2与固定块1处于不同的平面上；应变梁2的左右两侧贯穿设有水平方向载荷集中槽4，应变梁2的上下表面靠近水平方向载荷集中槽4的位置均设有至少一处应变片7。

上述设置，通过将固定块1和加载块3设置在不同的平面内，使得应变梁2可以同时加工竖直方向和水平方向两个相互垂直的载荷集中槽，提高传感器各方向上的测量灵敏度。

具体的，浮动梁6位于竖直面内，连接位于不同平面上的固定块1与应变梁2，可以通过设计浮动梁6厚度、高度和宽度尺寸，改变浮动梁6的浮动效果，从而影响传感器的刚度和灵敏度。

在上述各实施方式的基础上，浮动梁6的延伸方向垂直于固定块1的上表面，使得应变梁2和加载块3悬置于固定块1的一侧。

具体的，固定块1和加载块3位于两个不同的平面内，但中心轴重合；六个应变梁2与加载块3位于同一个平面内，均匀的分布在加载环的四周；应变梁2的一端与加载块3相连，另一端通过浮动梁6与固定块1相连；六个应变梁2结构尺寸相同，并开有竖直方向和水平方向两个方向的载荷集中槽，应变片7粘贴在应变梁2载荷集中的位置。

在上述各实施方式的基础上，浮动梁6呈板状或圆柱状，浮动梁6应当具有柔性，使得应变梁2的微小变形更容易，当然，为了加工方便，浮动梁6优选为薄板状。

在上述各实施方式的基础上，固定块1和加载块3均呈环形，即固定块1和加载块3优选呈圆盘状，固定块1和加载块3均设有螺栓孔，浮动梁6连接于固定块1的上表面外侧，使得应变梁2具有足够的长度开设竖直方向载荷集中槽5和水平方向载荷集中槽4。

需要说明的是，固定块1和加载块3均呈环形，是为了保证强度的前提下，降低重量，当然，固定块1也可以为圆形板状或者其他形状，能够固设在机械臂等设备上即可。

具体的，固定块1通过螺钉固定不动，力与力矩通过加载块3加载到六维力传感器上，并引起应变梁2发生微小的应变；通过应变梁2上粘贴的应变片7将应变转化为电信号，并经过全桥电路及后续处理电路放大，达到测量力和力矩的目的；浮动梁6连接在应变梁2与固定块1中间，一方面有利于减少各应变梁2之间的干扰，另一方面可以增加应变梁2的应变效果提高测量灵敏度。

在上述各实施方式的基础上，各处应变片7的个数均为两个，具体的，以加载梁的个数为六个举例，每个加载梁上开设有一个竖直方向载荷集中槽5和一个水平方向载荷集中槽4，每个竖直方向载荷集中槽5对应两处应变片7，共四个，每个水平方向载荷集中槽4对应两处应变片7，共四个，即每个加载梁上设置8个应变片7。

上述设置，使得该传感器共粘贴48个应变片7，组成12个全桥测量电路，保证每个力或力矩测量测通道均有一个备份，每个全桥电路的四个应变片7关于中心轴中心对称，且应变片7粘贴在应变梁2载荷集中位置；当某一全桥电路出现故障时，可使用备份电路数据继续完成该通道力或力矩的测量，从而在不影响刚度的条件下，提高传感器的使用寿命，特别适合航天、潜海等要求设备可靠性高的场合。

在上述各实施方式的基础上，竖直方向载荷集中槽5与水平方向载荷集中槽4均为方形槽，也可以为圆形或者哑铃形，与竖直方向载荷集中槽5对应的应变片7设置在应变梁2靠近应变梁2的一端。

在上述各实施方式的基础上，该六维力和力矩传感器为一体成型结构。具体的，六维力传感器优选为中心对称结构，可采用一块料整体加工，不存在组合装配带来的间隙和迟滞现象，提高寿命。

在上述各实施方式的基础上，靠近Y轴正方向的应变梁2与Y轴正方向之间错开的角度为10-20°。

优选的，靠近Y轴正方向的应变梁2与Y轴正方向之间的夹角为15°，通过将X、Y平面内的坐标轴与应变梁2旋转15°，达到平衡X、Y方向上力与力矩灵敏度的目的，进而提高传感器整体的灵敏度。

在一种具体实施例中，该六维力和力矩传感器，使用整体加工而成，整体强度高，由固定块1、加载块3、应变梁2、浮动梁6和应变片7组成。固定块1与加载块3位于2个不同的水平面内，在加载块3的周围均布有六根应变梁2。在本实施实例中固定块1与加载块3均为圆环状结构，也可以为方形、六角形，并通过光孔与外界连接。应变梁2通过竖直的浮动梁6与固定块1相连。每个应变梁2上均加工有水平方向载荷集中槽4和竖直方向载荷集中槽5，六个应变梁2除方向不同外，结构形式与尺寸完全一致。在本实施实例中水平方向载荷集中槽4和竖直方向载荷集中槽5均为方形槽，浮动梁6宽度与应变梁2宽度一致。应变片7粘贴在应变梁2的载荷集中位置，每根应变梁2上粘贴8个应变片7，共48个应变片7，组成12个全桥测量电路；应变片7在每个应变梁2上的粘接位置均相同，应变片7关于中心轴中心对称。

具体的，如图2、图3可知，第三应变梁2-3与Y轴错开15°；应变片十七7-17、应变片十八7-18、应变片十九7-19、应变片二十7-20、应变片二十六7-26、应变片二十七7-27、应变片二十八7-28、应变片二十九7-29粘贴在第一应变梁2-1上；应变片十三7-13、应变片十四7-14、应变片十五7-15、应变片十六7-16、应变片三十7-30、应变片三十一7-31、应变片三十二7-32、应变片三十三7-33粘贴在第二应变梁2-2上；应变片九7-9、应变片十7-10、应变片十一7-11、应变片十二7-12、应变片三十四7-34、应变片三十五7-35、应变片三十六7-36、应变片三十七7-37粘贴在第三应变梁2-3上；应变片五7-5、应变片六7-6、应变片七7-7、应变片八7-8、应变片三十八7-38、应变片三十九7-39、应变片四十7-40、应变片四十一7-41粘贴在第四应变梁2-4上；应变片一7-1、应变片二7-2、应变片三7-3、应变片四7-4、应变片四十二7-42、应变片四十三7-43、应变片四十四7-44、应变片四十五7-45粘贴在第五应变梁2-5上；应变片二十一7-21、应变片二十二7-22、应变片二十三7-23、应变片二十四7-24、应变片四十六7-46、应变片四十七7-47、应变片四十八7-48、应变片四十九7-49粘贴在第六应变梁2-6上。

其中，应变片十七7-17、应变片二十7-20、应变片八7-8、应变片五7-5组成应变桥路a，应变片十六7-16、应变片十三7-13、应变片四7-4、应变片三7-3组成应变桥路b，应变片九7-9、应变片十7-10、应变片二十四7-24、应变片二十一7-21组成应变桥路c，应变桥路a、b、c共同测量Fx和Fy，且互为备份，当某一路出现问题时，剩余两路仍可完成Fx和Fy方向力的测量。

应变片十八7-18、应变片七7-7、应变片二十八7-28、应变片三十九7-39组成应变桥路d，应变片十四7-14、应变片二7-2、应变片三十二7-32、应变片四十三7-43组成应变桥路e，应变片十一7-11、应变片二十三7-23、应变片三十六7-36、应变片四十七7-47组成应变桥路f，应变桥路d、e、f共同测量Mx和My，且互为备份，当某一路出现问题时，剩余两路仍可完成Mx和My方向力的测量。

应变片二十九7-29、应变片二十六7-26、应变片三十八7-38、应变片四十一7-41组成应变桥路g，应变片三十7-30、应变片三十三7-33、应变片四十二7-42、应变片四十五7-45组成应变桥路h，应变片二十五7-25、应变片四十六7-46、应变片三十七7-37、应变片三十四7-34组成应变桥路i，应变桥路g、h、i共同测量Mz，且互为备份，其中任意一路可完成Mz方向力的测量。

应变片十九7-19、应变片六7-6、应变片二十七7-27、应变片四十7-40组成应变桥路j，应变片十五7-15、应变片一7-1、应变片三十一7-31、应变片四十四7-44组成应变桥路k，应变片十二7-12、应变片二十二7-22、应变片三十五7-35、应变片四十八7-48组成应变桥路l，应变桥路j、k、l共同测量Fz，且互为备份，其中任意一路可完成Fz方向力的测量。

具体的，本实施例所提供的传感器，采用六梁结构，在实现容错能力的前提下，应变片7的使用最少，结构也最简单，同时实现了在测量每一路测量的一主两备设计，只有两个备份才能实现错误诊断；为了降低由于六梁结构导致的灵敏度下降，而在一个平面内的结构，改为立体结构，只有这样才可以在应变梁上增加水平方向的载荷集中槽；并通过立体的浮动梁结构浮动效果更好，这样也更有利于提高灵敏度；同时，将应变梁与坐标轴错开15°，使各方向上的灵敏度更均匀，这样也能提高整体测量的灵敏度，因为整体灵敏度是由灵敏度最差的一个通道决定的；另外，应变梁越多，灵敏度会越差，采用6梁结构是实现冗余设计的最优结构。

该带有容错能力的六维力和力矩传感器工作时，固定块1使用螺钉固定，载荷通过加载块3作用在传感器上，引起应变梁2发生变形，最终通过应变片7将应变梁2的应变转换为电信号进行测量；48个应变片7组成12组全桥测量电路，保证六个测量通道的每一路都最少留有一个备份，当某一路测量出现问题时，可以继续使用备份的测量电路继续完成该通道的测量，达到容错的目的，以提高传感器整体的可靠度。

具体的，当所有全桥电路均正常时，使用12个全桥电路测量值，解耦6个通道的力或力矩信息；当某一通道出现故障时，可以使用11个全桥电路继续实现力和力矩的测量，直到某一通道的所有备份均不能正常使用为止。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的六维力和力矩传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。