CN109781329B - 一种六梁结构的六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：包括受力圆盘、外壳、基座、弹性梁、插头连接件和插头；所述受力圆盘通过所述螺孔连接施力装置；所述插头连接件安装在所述外壳的外侧面上；所述插头固定在插头连接件上；所述基座的底座凸台安装在所述外壳的内部；所述弹性梁包括圆盘梁体和六个支梁；所述圆盘梁体与所述受力圆盘连接；六个所述支梁上均有应力集中孔；每一个支梁上应力集中孔中心的两侧上均设安装两个应变片；所述弹性梁安装在所述基座上；本发明传感器具有结构简单紧凑，应变片数量少，工艺简单，较高灵敏度，较高解耦精度等优点。

Description

一种六梁结构的六维力传感器

技术领域

本发明涉及应变传感器技术领域，具体涉及一种六梁结构的六维力传感器。

背景技术

六维力传感器测力信息丰富，是一种能检测空间三个分量与三个力矩分量的传感器。目前，已用于多个行业，如智能机器人、航空航天、军事、生物医学等。

在六维力传感器设计中，力敏元件的结构布局以及应变片的粘贴方式在很大程度上决定了所设计传感器的综合性能。因此，设计出合理可行的力敏元件布局以及应变片粘贴方式成为关键。基于十字形的弹性梁结构的多维力传感器是常见的一种结构，它具有结构紧凑等优点，但也存在梁结构复杂等不足。现有技术中包括一种双目结构的六维力传感器，其中弹性梁为双层十字梁结构，虽然有较好的灵敏度，但其维间耦合度偏大，双层结构不利于减小传感器整体高度，加工难度大。不仅如此，目前现有的应变式六维力传感器电阻应变片数量偏多，导致资源浪费，并且增加工艺难度。

因此，现有技术中需要一种能够克服上述问题的六维力传感器。

发明内容

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：包括受力圆盘、外壳、基座、弹性梁、插头连接件和插头。

所述受力圆盘平面中心设有均布在同一圆周上的通孔。所述受力圆盘平面上还设有均布在同一圆周上的螺孔。所述螺孔围绕所述通孔。所述受力圆盘通过所述螺孔连接施力装置。

所述外壳为中空的圆柱体。所述外壳侧面上设有插头安装孔I。

所述插头连接件为弧形板状。所述插头连接件中部为插头安装孔II。所述插头安装孔II与所述插头安装孔I相对应。所述插头连接件安装在所述外壳的外侧面上。

所述插头插入所述插头安装孔II和所述插头安装孔I内，固定在所述插头连接件上。

所述基座包括圆盘底座和设于所述圆盘底座平面上的底座凸台。

所述底座凸台为圆环形。所述底座凸台的内部安装有电路板。所述底座凸台的环形平面上设有均布在同一圆周的弹性梁安装孔。

所述基座的底座凸台安装在所述外壳的内部。

所述弹性梁包括圆盘梁体和六个支梁。

所述圆盘梁体平面上设有均布在同一圆周上的受力圆盘连接孔。所述受力圆盘连接孔与所述通孔相对应。所述圆盘梁体通过所述受力圆盘连接孔与所述受力圆盘连接。

六个所述支梁呈辐射状布置在所述圆盘梁体上，且每个支梁中心线之间的夹角为60°。将六个所述支梁分别记为第一支梁、第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁和第六支梁。

以所述圆盘梁体的平面中心建立右手笛卡尔坐标系，其中，记z轴的方向为垂直于所述圆盘梁体的平面向上，记x轴的方向为平行于所述圆盘梁体的平面向右，记y轴的方向为平行于所述圆盘梁体的平面向前，记所述第一支梁位于x和y轴形成的第一区间内，且第一支梁的中心线与x轴偏离θ°，0＜θ＜60，其余五个所述支梁按逆时针依次为第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁和第六支梁。

六个所述支梁上均设有应力集中孔。所述第一支梁、第三支梁和第五支梁的应力集中孔开口方向平行于z轴。所述第二支梁、第四支梁和第六支梁的应力集中孔开口方向垂直于z轴。

六个所述支梁上均安装有应变片。每一个支梁上位于应力集中孔中心的两侧均安装一个应变片。

六个所述支梁上均设有定位孔。所述定位孔与所述弹性梁安装孔相对应。所述弹性梁通过所述定位孔安装在所述基座上。

在测量时，所述基座固定在测量物体上，所述施力装置对所述受力圆盘施力。所述受力圆盘受力之后使所述弹性梁发生形变。所述应变片上的电阻发生改变。所述电路板将电阻信号转换成电压信号并放大后，在所述插头处将信号引出，向外输出测量信号。

当F_x作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁上产生应变，记为

F_x＝f₁sinθ°+f₃sin(60-θ)°+f₅cos(θ-30)°。 (式一)

当F_y作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁上产生应变，记为

F_y＝f₁cosθ°+f₃cos(60-θ)°+f₅sin(θ-30)°。 (式二)

当F_z作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生大小、方向均相同的应变，记为

F_z＝f₂+f₄+f₆。 (式三)

将每个所述支梁上应力集中孔中心到所述圆盘梁体中心的距离为记为L。

当M_x作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生应变，记为

M_x＝[f₂cos(θ-30)°-f₄sinθ°-f₆sin(60-θ)°]L。 (式四)

当M_y作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生应变，记为

M_y＝[f₂sin(θ-30)°-f₄cosθ°-f₆cos(60-θ)°]L。 (式五)

当M_z作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁产生方向相同的应变，记为

M_z＝(f₁+f₅-f₃)L。 (式六)

所述式一中：F_x为传感器受到的六维力在x方向上的力。f₁为第一支梁所受应变。f₃为第三支梁所受应变。f₅为第五支梁所受应变。

所述式二中：F_y为传感器受到的六维力在y方向上的力。

所述式三中：F_z为传感器受到的六维力在z方向上的力。f₂为第二支梁所受应变。f₄为第四支梁所受应变。f₆为第六支梁所受应变。

所述式四中：M_x为传感器受到的六维力在x方向上的力矩。

所述式五中：M_y为传感器受到的六维力在y方向上的力矩。

所述式六中：M_z为传感器受到的六维力在z方向上的力矩。

进一步，所述底座凸台的环形平面还上设有处于同一圆周上的若干个电路板固定槽。所述底座凸台通过所述电路板固定槽固定所述电路板。

所述底座凸台外侧面上还设有凹槽。所述凹槽与所述插头安装孔I相对应。

进一步，所述受力圆盘、外壳、基座、弹性梁、插头连接件和插头的材质包括硬铝合金。

进一步，每一个所述支梁上的两个应变片组成一组惠斯通电桥的半桥对边。

进一步，所述外壳侧面上设有若干个基座安装孔。

所述基座的底座凸台上设有与所述基座安装孔相对应的若干个螺纹孔。

所述基座的底座凸台通过螺钉固定在所述外壳的内部。

进一步，所述插头安装孔I的四周设有若干个连接孔I。

所述插头安装孔II的四周设有若干个连接孔II。所述连接孔II与所述连接孔I相对应。

所述插头连接件通过螺钉固定在所述外壳的外侧面上。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明公开的六维力传感器具有结构简单紧凑，应变片数量少，工艺简单，较高灵敏度，较高解耦精度等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的分解示意图；

图3为本发明弹性梁的三维结构示意图；

图4为本发明弹性梁的安装示意图；

图5为本发明弹性梁的平面示意图1；

图6为本发明弹性梁的平面示意图2。

图中：受力圆盘1、通孔101、螺孔102、外壳2、插头安装孔I201、基座安装孔202、连接I203、基座3、圆盘底座301、底座凸台302、电路板固定槽3021、弹性梁安装孔3022、凹槽3023、螺纹孔3024、弹性梁4、圆盘梁体41、受力圆盘连接孔411、支梁42、应力集中孔421、应变片422、定位孔423、插头连接件5、插头安装孔II501、连接II502和插头6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图3，一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：包括受力圆盘1、外壳2、基座3、弹性梁4、插头连接件5和插头6。

在本实施例中，所述受力圆盘1、外壳2、基座3、弹性梁4、插头连接件5和插头6的材质为硬铝合金LY12。

所述受力圆盘1平面中心设有均布在同一圆周上的六个通孔101。所述受力圆盘1平面上还设有均布在同一圆周上的八个螺孔102。所述螺孔102围绕所述通孔101。所述受力圆盘1通过所述螺孔102连接施力装置。

所述外壳2为中空的圆柱体。所述外壳2侧面上设有插头安装孔I201。

所述插头连接件5为弧形板状。所述插头连接件5中部为插头安装孔II501。所述插头安装孔II501与所述插头安装孔I201相对应。所述插头连接件5安装在所述外壳2的外侧面上。

所述插头6插入所述插头安装孔II501和所述插头安装孔I201内，固定在所述插头连接件5上。

所述基座3包括圆盘底座301和设于所述圆盘底座301平面上的底座凸台302。

所述底座凸台302为圆环形。所述底座凸台302的环形平面还上设有处于同一圆周上的四个电路板固定槽3021。所述底座凸台302通过所述电路板固定槽3021固定安装有电路板。

所述底座凸台302的环形平面上设有均布在同一圆周上的六个弹性梁安装孔3022。

所述基座3的底座凸台302安装在所述外壳2的内部，通过圆盘底座301限位。

所述底座凸台302外侧面上还设有凹槽3023。所述凹槽3023与所述插头安装孔I201相对应，便于容纳插头6。

所述弹性梁4包括圆盘梁体41和六个支梁42。

所述圆盘梁体41平面上设有均布在同一圆周上的六个受力圆盘连接孔411。所述受力圆盘连接孔411与所述通孔101相对应。所述圆盘梁体41通过所述受力圆盘连接孔411与所述受力圆盘1连接。

六个所述支梁42呈辐射状布置在所述圆盘梁体41上，且每个支梁42中心线之间的夹角为60°。将六个所述支梁42分别记为第一支梁、第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁和第六支梁。

参见图3至图6所示，以所述圆盘梁体41的平面中心建立右手笛卡尔坐标系，其中，记z轴的方向为垂直于所述圆盘梁体41的平面向上，记x轴的方向为平行于所述圆盘梁体41的平面向右，记y轴的方向为平行于所述圆盘梁体41的平面向前，记所述第一支梁位于x和y轴形成的第一区间内，且第一支梁的中心线与x轴偏离θ°，0＜θ＜60，其余五个所述支梁42按逆时针依次为第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁和第六支梁。

六个所述支梁42上均设有应力集中孔421。所述第一支梁、第三支梁和第五支梁的应力集中孔421开口方向平行于z轴。所述第二支梁、第四支梁和第六支梁的应力集中孔421开口方向垂直于z轴。

六个所述支梁42上均安装有应变片422。每一个支梁42上位于应力集中孔421中心的两侧均安装一个应变片422。每一个所述支梁42上的两个应变片422组成一组惠斯通电桥的半桥对边。即六个支梁42上的12个应变片422组成六组惠斯通电桥的半桥对边。

六个所述支梁42上均设有定位孔423。所述定位孔423与所述弹性梁安装孔3022相对应。所述弹性梁4通过所述定位孔423安装在所述基座3上。

在测量时，所述基座3固定在测量物体上，所述施力装置对所述受力圆盘1施力。所述受力圆盘1受力之后使所述弹性梁4发生形变。所述应变片422上的电阻发生改变，由惠斯通电桥改变电阻。所述电路板将电阻信号转换成电压信号并放大后，在所述插头6处将信号引出，向外输出测量信号。

当F_x作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁上产生应变，记为

F_x＝f₁sinθ°+f₃sin(60-θ)°+f₅cos(θ-30)°。 (式一)

当F_y作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁上产生应变，记为

F_y＝f₁cosθ°+f₃cos(60-θ)°+f₅sin(θ-30)°； (式二)

当F_z作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生大小、方向均相同的应变，记为

F_z＝f₂+f₄+f₆； (式三)

将每个所述支梁42上应力集中孔421中心到所述圆盘梁体41中心的距离为记为L。

当M_x作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生应变，记为M_x＝[f₂cos(θ-30)°-f₄sinθ°-f₆sin(60-θ)°]L； (式四)

当M_y作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生应变，记为

M_y＝[f₂sin(θ-30)°-f₄cosθ°-f₆cos(60-θ)°]L； (式五)

当M_z作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁产生方向相同的应变，记为M_z＝(f₁+f₅-f₃)L (式六)

所以，当外力作用在施力平台中心时，本六维力传感器的输出为：

所述式一中：F_x为传感器受到的六维力在x方向上的力。f₁为第一支梁所受应变。f₃为第三支梁所受应变。f₅为第五支梁所受应变。

所述式二中：F_y为传感器受到的六维力在y方向上的力。

所述式三中：F_z为传感器受到的六维力在z方向上的力。f₂为第二支梁所受应变。f₄为第四支梁所受应变。f₆为第六支梁所受应变。

所述式四中：M_x为传感器受到的六维力在x方向上的力矩。

所述式五中：M_y为传感器受到的六维力在y方向上的力矩。

所述式六中：M_z为传感器受到的六维力在z方向上的力矩。

利用上述公式，即可解出作用在六维力传感器的六维力F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z。

实施例2：

本实施例结构同实施例1，进一步的，所述外壳2侧面上设有3个基座安装孔202。

所述基座3的底座凸台302上设有与所述基座安装孔202相对应的3个螺纹孔3024。

所述基座3的底座凸台302通过螺钉依次旋入基座安装孔202和螺纹孔3024，固定在所述外壳2的内部。

实施例3：

本实施例结构同实施例1，进一步的，所述插头安装孔I201的四周设有四个连接孔I203。

所述插头安装孔II501的四周设有四个连接孔II502。所述连接II502与所述连接I203相对应。

所述插头连接件5通过螺钉依次旋入连接I203和连接II502，固定在所述外壳2的外侧面上。

Claims (6)

1.一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：包括受力圆盘(1)、外壳(2)、基座(3)、弹性梁(4)、插头连接件(5)和插头(6)；

所述受力圆盘(1)平面中心设有均布在同一圆周上的通孔(101)；所述受力圆盘(1)平面上还设有均布在同一圆周上的螺孔(102)；所述螺孔(102)围绕所述通孔(101)；所述受力圆盘(1)通过所述螺孔(102)连接施力装置；

所述外壳(2)为中空的圆柱体；所述外壳(2)侧面上设有插头安装孔I(201)；

所述插头连接件(5)为弧形板状；所述插头连接件(5)中部为插头安装孔II(501)；所述插头安装孔II(501)与所述插头安装孔I(201)相对应；所述插头连接件(5)安装在所述外壳(2)的外侧面上；

所述插头(6)插入所述插头安装孔II(501)和所述插头安装孔I(201)内，固定在所述插头连接件(5)上；

所述基座(3)包括圆盘底座(301)和设于所述圆盘底座(301)平面上的底座凸台(302)；

所述底座凸台(302)为圆环形；所述底座凸台(302)的内部安装有电路板；所述底座凸台(302)的环形平面上设有均布在同一圆周上的弹性梁安装孔(3022)；

所述基座(3)的底座凸台(302)安装在所述外壳(2)的内部；

所述弹性梁(4)包括圆盘梁体(41)和六个支梁(42)；

所述圆盘梁体(41)平面上设有均布在同一圆周上的受力圆盘连接孔(411)；所述受力圆盘连接孔(411)与所述通孔(101)相对应；所述圆盘梁体(41)通过所述受力圆盘连接孔(411)与所述受力圆盘(1)连接；

六个所述支梁(42)呈辐射状布置在所述圆盘梁体(41)上，且每个支梁(42)中心线之间的夹角为60°；将六个所述支梁(42)分别记为第一支梁、第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁和第六支梁；

以所述圆盘梁体(41)的平面中心建立右手笛卡尔坐标系，其中，记z轴的方向为垂直于所述圆盘梁体(41)的平面向上，记x轴的方向为平行于所述圆盘梁体(41)的平面向右，记y轴的方向为平行于所述圆盘梁体(41)的平面向前，记所述第一支梁位于x和y轴形成的第一区间内，且第一支梁的中心线与x轴偏离θ°,0<θ<60，其余五个所述支梁(42)按逆时针依次为第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁和第六支梁；

六个所述支梁(42)上均设有应力集中孔(421)；所述第一支梁、第三支梁和第五支梁的应力集中孔(421)开口方向平行于z轴；所述第二支梁、第四支梁和第六支梁的应力集中孔(421)开口方向垂直于z轴；

六个所述支梁(42)上均安装有应变片(422)；每一个支梁(42)上位于应力集中孔(421)中心的两侧均安装一个应变片(422)；

六个所述支梁(42)上均设有定位孔(423)；所述定位孔(423)与所述弹性梁安装孔(3022)相对应；所述弹性梁(4)通过所述定位孔(423)安装在所述基座(3)上；

在测量时，所述基座(3)固定在测量物体上，所述施力装置对所述受力圆盘(1)施力；所述受力圆盘(1)受力之后使所述弹性梁(4)发生形变；所述应变片(422)上的电阻发生改变；所述电路板将电阻信号转换成电压信号并放大后，在所述插头(6)处将信号引出，向外输出测量信号；

当F_x作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁上产生应变，记为

F_x＝f₁sinθ°+f₃sin(60-θ)°+f₅cos(θ-30)°； (式一)

当F_y作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁上产生应变，记为

F_y＝f₁cosθ°+f₃cos(60-θ)°+f₅sin(θ-30)°； (式二)

当F_z作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生大小、方向均相同的应变，记为

F_z＝f₂+f₄+f₆； (式三)

将每个所述支梁(42)上应力集中孔(421)中心到所述圆盘梁体(41)中心的距离为记为L；

当M_x作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生应变，记为

M_x＝[f₂cos(θ-30)°-f₄sinθ°-f₆sin(60-θ)°]L； (式四)

当M_y作用在传感器上时，所述第二支梁、第四支梁和第六支梁上产生应变，记为

M_y＝[f₂sin(θ-30)°-f₄cosθ°-f₆cos(60-θ)°]L； (式五)

当M_z作用在传感器上时，所述第一支梁、第三支梁和第五支梁产生方向相同的应变，记为

M_z＝(f₁+f₅-f₃)L； (式六)

所述式一中：F_x为传感器受到的六维力在x方向上的力；f₁为第一支梁所受应变；f₃为第三支梁所受应变；f₅为第五支梁所受应变；

所述式二中：F_y为传感器受到的六维力在y方向上的力；

所述式三中：F_z为传感器受到的六维力在z方向上的力；f₂为第二支梁所受应变；f₄为第四支梁所受应变；f₆为第六支梁所受应变；

所述式四中：M_x为传感器受到的六维力在x方向上的力矩；

所述式五中：M_y为传感器受到的六维力在y方向上的力矩；

所述式六中：M_z为传感器受到的六维力在z方向上的力矩。

2.根据权利要求1所述的一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：所述底座凸台(302)的环形平面还上设有处于同一圆周上的若干个电路板固定槽(3021)；所述底座凸台(302)通过所述电路板固定槽(3021)固定所述电路板；

所述底座凸台(302)外侧面上还设有凹槽(3023)；所述凹槽(3023)与所述插头安装孔I(201)相对应。

3.根据权利要求1所述的一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：所述受力圆盘(1)、外壳(2)、基座(3)、弹性梁(4)、插头连接件(5)和插头(6)的材质包括硬铝合金。

4.根据权利要求1所述的一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：每一个所述支梁(42)上的两个应变片(422)组成一组惠斯通电桥的半桥对边。

5.根据权利要求1所述的一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：所述外壳(2)侧面上设有若干个基座安装孔(202)；

所述基座(3)的底座凸台(302)上设有与所述基座安装孔(202)相对应的若干个螺纹孔(3024)；

所述基座(3)的底座凸台(302)通过螺钉固定在所述外壳(2)的内部。

6.根据权利要求1所述的一种六梁结构的六维力传感器，其特征在于：所述插头安装孔I(201)的四周设有若干个连接孔I(203)；

所述插头安装孔II(501)的四周设有若干个连接孔II(502)；所述连接II(502)与所述连接孔I(203)相对应；

所述插头连接件(5)通过螺钉固定在所述外壳(2)的外侧面上。

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