一种六维力传感器
阅读说明：本技术 一种六维力传感器 (Six-dimensional force sensor ) 是由 王拓 周丹 黄伟才 刘镌 刘白露 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种六维力传感器,包括内环、外环和弹性梁。其中,内环置于外环内,弹性梁沿圆周方向均匀间隔布置在内环与外环之间。弹性梁上分别与外环和内环连接的两两相邻的侧边均为对称布置的曲线形。弹性梁上与外环的顶面对应的侧面和与内环的底面对应的侧面上均设有应变片。本发明提供的六维力传感器,通过设置四周曲面结构支撑的弹性梁,通过调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性,无需在弹性梁上制造不同形状和位置的孔或槽来实现应变发生位置的改变,因此结构简单,对加工工艺要求较低,刚度和稳定性均较好,动态力测试精度高,在相同量程下刚度大体积小重量轻,方便检测不同方向的力。(The invention provides a six-dimensional force sensor which comprises an inner ring, an outer ring and an elastic beam. The inner ring is arranged in the outer ring, and the elastic beams are uniformly arranged between the inner ring and the outer ring at intervals along the circumferential direction. The side edges of the elastic beam, which are adjacent to each other and are respectively connected with the outer ring and the inner ring, are symmetrically arranged curves. And strain gauges are arranged on the side surface of the elastic beam corresponding to the top surface of the outer ring and the side surface of the elastic beam corresponding to the bottom surface of the inner ring. According to the six-dimensional force sensor provided by the invention, the elastic beam supported by the peripheral curved surface structure is arranged, the uniqueness of the positions where the strain is generated under the forces in different directions is realized by adjusting the curvature of the curved surface to control the stress distribution, and holes or grooves in different shapes and positions are not required to be manufactured on the elastic beam to realize the change of the positions where the strain is generated, so that the six-dimensional force sensor has the advantages of simple structure, lower requirements on the processing technology, better rigidity and stability, high dynamic force testing precision, large rigidity, small size and light weight under the same measuring range, and convenience in detecting the forces in different directions.)
技术领域
本发明涉及检测装置技术领域，具体涉及一种六维力传感器。
背景技术
六维力传感器是检测空间中XYZ三个方向的力和分别以其为轴线的力矩的力传感器。在智能化机器人的应用中越来越广泛。
现有的六维力传感器弹性梁结构多为平直的结构形式，在平面上粘贴应变片等,由于直梁结构的均匀性，其受力时应变变化位置一般是均匀恒定的，难以实现对不同方向力的识别检测，造成维间耦合误差较大。因此为避免该现象发生，很多专利方案通过在直梁上制造不同形状和位置的孔或槽来实现应变发生位置的改变。然而随着槽孔的增加，弹性体的刚度、稳定性等会受到影响，尤其是在对频率要求较高的大量程测力场合难以应用。且孔槽的开设位置要求苛刻，对加工工艺要求较高，从而使得传感器成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种六维力传感器，解决了传统的平直梁结构难以依靠自身形状实现不同方向力下应变产生位置的差异性，从而无法方便检测不同方向力的问题，改善了传统力传感器在梁结构上开设槽孔等产生的刚度较差和工艺复杂的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种六维力传感器，包括内环、外环和弹性梁。其中，内环置于外环内，弹性梁沿圆周方向均匀间隔布置在内环与外环之间。弹性梁上分别与外环和内环连接的两两相邻的侧边均为对称布置的曲线形。弹性梁上与外环的顶面对应的侧面和与内环的底面对应的侧面上均设有应变片。
根据本发明的六维力传感器，通过设置四周曲面结构支撑的弹性梁，通过调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性，无需在弹性梁上制造不同形状和位置的孔或槽来实现应变发生位置的改变，因此结构简单，对加工工艺要求较低，刚度和稳定性均较好，动态力测试精度高，在相同量程下刚度大体积小重量轻，方便检测不同方向的力。
对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。
根据本发明的六维力传感器，在一个优选的实施方式中，弹性梁的相邻两个侧面分别呈靠近内环一侧小，靠近外环一侧大的喇叭形和呈靠近内环一侧大，靠近外环一侧小的喇叭形。
上述曲面结构的弹性梁，能够根据实际检测需求调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性。
具体地，在另一个优选的实施方式中，弹性梁的相邻两个侧面均呈靠近内环一侧小，靠近外环一侧大的喇叭形。
具体地，在另一个优选的实施方式中，弹性梁的相邻两个侧面均呈靠近内环一侧大和靠近外环一侧小的喇叭形。
具体地，在另一个优选的实施方式中，弹性梁的相邻两个侧面均呈靠近内环一侧和靠近外环一侧大小相等的喇叭形。
同样的道理，上述多种不同结构形式的曲面结构的弹性梁，均能够很好地根据实际检测需求调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性。
进一步地，在一个优选的实施方式中，外环的顶面上设有沿圆周方向均匀间隔布置的传感器安装沉孔，内环的底面上设有沿圆周方向均匀间隔布置的负载安装沉孔。
传感器安装沉孔和负载安装沉孔分别实现从上往下安装和从下往上安装，通过这种双向通孔方式连接及安装的优势能够消除螺纹预紧力对传感器测力影响，极大程度上降低了耦合误差，提高了传感器精度。
进一步地，在一个优选的实施方式中，传感器安装沉孔相对布置在弹性梁的两侧且靠近弹性梁的位置。
传感器安装沉孔的设置不正对四周弯曲型弹性梁，呈两侧靠近状态，可有效避免力分布不均匀。
进一步地，在一个优选的实施方式中，外环的顶面和底面的内侧均设有沉槽。
外环的顶面上靠近内环的内侧设置的沉槽用于进行加载面避让，外环的底面上靠近内环的内侧设置的沉槽上设有均匀布置的螺纹孔，用于封装及内置电路板安装。
进一步地，在一个优选的实施方式中，内环的中心设有通孔。
在传感器的中心位置设置通孔，用于均布受力。
具体地，在一个优选的实施方式中，弹性梁上相对两侧的应变片组成惠斯通电桥，采集惠斯通电桥的输出信号经过放大处理和补偿修正处理后通过A/D转换输出数字信号。
传感器感受到力F作用，引起应变电桥电压U变化，经过放大处理后输入处理芯片，根据输出力f和电压U、力分量M、力F的六分量矩阵关系计算标定矩阵参量H＝f([U],[M],[F])，将计算值与原始参量差分处理后返回补偿修正，修正后输出最终结果，最后经过A/D转换(模数转换)把模拟量转化为数字量输出至外部应用设备。数字量传输的好处在于有效降低信号干扰，使测力更准确。
相比现有技术，本发明的优点在于：通过设置四周曲面结构支撑的弹性梁，通过调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性，无需在弹性梁上制造不同形状和位置的孔或槽来实现应变发生位置的改变，因此结构简单，对加工工艺要求较低，刚度和稳定性均较好，动态力测试精度高，在相同量程下刚度大体积小重量轻，方便检测不同方向的力。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性显示了本发明实施例的六维力传感器其中一个方向的整体结构；
图2示意性显示了本发明实施例的六维力传感器另一个方向的整体结构；
图3示意性显示了本发明实施例的六维力传感器的主视结构；
图4示意性显示了本发明实施例的六维力传感器的侧视剖面结构；
图5示意性显示了图3中A部分的局部放大结构；
图6示意性显示了图4中B部分的局部放大结构；
图7示意性显示了本发明实施例的六维力传感器的电路信号处理原理。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
图1示意性显示了本发明实施例的六维力传感器其中一个方向的整体结构。图2示意性显示了本发明实施例的六维力传感器另一个方向的整体结构。图3示意性显示了本发明实施例的六维力传感器的主视结构。图4示意性显示了本发明实施例的六维力传感器的侧视剖面结构。图5示意性显示了图3中A部分的局部放大结构。图6示意性显示了图4中B部分的局部放大结构。图7示意性显示了本发明实施例的六维力传感器的电路信号处理原理。
如图1至图6所示，本发明实施例的六维力传感器10，包括内环1、外环2和弹性梁3。其中，内环1置于外环2内，弹性梁3沿圆周方向均匀间隔布置在内环1与外环2之间。弹性梁3上分别与外环2和内环1连接的两两相邻的侧边31均为对称布置的曲线形。弹性梁3上与外环2的顶面21对应的侧面32和与内环1的底面11对应的侧面32上均设有应变片4。
根据本发明实施例的六维力传感器，通过设置四周曲面结构支撑的弹性梁，通过调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性，即通过曲率控制应力集中位置，并且，依靠弹性梁上下表面的曲面实现六维力的分布感知，采用相对布置的应变片组成多组惠斯通电桥，通过电路采集电桥输出信号，通过电路中的A/D转换输出数字信号，有效降低信号干扰。无需在弹性梁上制造不同形状和位置的孔或槽来实现应变发生位置的改变，因此结构简单，对加工工艺要求较低，刚度和稳定性均较好，动态力测试精度高，在相同量程下刚度大体积小重量轻，方便检测不同方向的力。
如图1和图2,、图5和图6所示，优选地，在本实施例中，弹性梁3的相邻两个侧面32分别呈靠近内环1一侧小，靠近外环2一侧大的喇叭形和呈靠近内环1一侧大，靠近外环2一侧小的喇叭形。上述曲面结构的弹性梁，能够根据实际检测需求调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性。
具体地，在另外一些未示出的实施例中，弹性梁3的相邻两个侧面均呈靠近内环一侧小，靠近外环一侧大的喇叭形。具体地，也可以是弹性梁3的相邻两个侧面均呈靠近内环一侧大和靠近外环一侧小的喇叭形。具体地，还可以是弹性梁3的相邻两个侧面均呈靠近内环一侧和靠近外环一侧大小相等的喇叭形。同样的道理，上述多种不同结构形式的曲面结构的弹性梁，均能够很好地根据实际检测需求调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性。
优选地，在本实施例中，如图1和图2所示，弹性梁3的个数为4个，并且4个弹性梁均匀对称布置呈十字梁的结构，因此能够个很好地确保力的均匀分布。并且，每个弹性梁3上相对布置有8组应变片4组成8组惠斯通电桥。优选地，在一些未示出的实施例中，弹性梁3还可以为三梁结构，六梁结构，八梁结构等，当不仅仅限于上述结构形式，所有应用四周弯曲型弹性梁结构的组合形式均应在本发明的保护范围之内。
进一步地，如图1和图2所示，在本实施例中，外环2的顶面21上设有沿圆周方向均匀间隔布置的传感器安装沉孔22，内环1的底面11上设有沿圆周方向均匀间隔布置的负载安装沉孔12。传感器安装沉孔和负载安装沉孔分别实现从上往下安装和从下往上安装，通过这种双向通孔方式连接及安装的优势能够消除螺纹预紧力对传感器测力影响，极大程度上降低了耦合误差，提高了传感器精度。进一步地，在本实施例中，传感器安装沉孔22相对布置在弹性梁3的两侧且靠近弹性梁的位置。传感器安装沉孔的设置不正对四周弯曲型弹性梁，呈两侧靠近状态，可有效避免力分布不均匀。优选地，在本实施例中，传感器安装沉孔22包括8个，负载安装沉孔12包括4个。
如图1和图2所示，进一步地，在本实施例中，外环2的顶面21和底面23的内侧均设有沉槽24。外环的顶面上靠近内环的内侧设置的沉槽用于进行加载面避让，外环的底面上靠近内环的内侧设置的沉槽上设有均匀布置的螺纹孔25，用于封装及内置电路板安装。
进一步地，在本实施例中，如图1和图2所示，内环1的中心设有通孔13。在传感器的中心位置设置通孔，用于均布受力。
如图1至图5和如图7所示，具体地，在本实施例中，弹性梁3上相对两侧的应变片4组成惠斯通电桥，采集惠斯通电桥的输出信号经过放大处理和补偿修正处理后通过A/D转换输出数字信号。具体地，传感器感10受到力F作用，引起应变电桥电压U变化，经过放大处理后输入处理芯片，根据输出力f和电压U、力分量M、力F的六分量矩阵关系计算标定矩阵参量H＝f([U],[M],[F])，将计算值与原始参量差分处理后返回补偿修正，修正后输出最终结果，最后经过A/D转换(模数转换)把模拟量转化为数字量输出至外部应用设备。数字量传输的好处在于有效降低信号干扰，使测力更准确。
根据上述实施例，可见，本发明涉及的六维力传感器，通过设置四周曲面结构支撑的弹性梁，通过调整曲面曲率对应力分布的控制实现不同方向力下应变产生的位置的唯一性，无需在弹性梁上制造不同形状和位置的孔或槽来实现应变发生位置的改变，因此结构简单，对加工工艺要求较低，刚度和稳定性均较好，动态力测试精度高，在相同量程下刚度大体积小重量轻，方便检测不同方向的力。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
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