專利名稱：用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六維力與力矩傳感器，具體來說，涉及一種用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器。
背景技術(shù)：
多維力與力矩傳感器是機(jī)電控制系統(tǒng)中一類非常重要的機(jī)械量測(cè)量傳感器，它是保證精密裝配、精密操作、精密控制以及人機(jī)交互控制的基礎(chǔ)元件，也是機(jī)器人完成接觸性作業(yè)任務(wù)的保障。隨著我國(guó)空間探測(cè)技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，如空間站對(duì)接、空間機(jī)械手力控制、工業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人遙操作等，迫切需要研發(fā)各種用途的大量程高精度多維力與力矩傳感器?，F(xiàn)有的機(jī)器人力與力矩傳感器主要分為六維和三維兩種力與力矩傳感器，絕大多數(shù)機(jī)器人力與力矩傳感器的設(shè)計(jì)集中在六維力與力矩傳感器方面，并產(chǎn)生了多項(xiàng)專利技術(shù)，具體有“六自由度力與力矩傳感器”，“雙層預(yù)緊式多分支六維力傳感器及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析”，“一種具有彈性鉸鏈的六維力與力矩傳感器”，“并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維力與力矩傳感器”，“整體預(yù)緊平臺(tái)式六維力傳感器”，等。現(xiàn)有的機(jī)器人六維力與力矩傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、貼片數(shù)量和組橋電路多、體積較大、價(jià)格高，并且存在著較為嚴(yán)重的維間耦合?；谑至簭椥泽w的六維力與力矩傳感器是目前使用較廣的一種，它主要提供X，Y，Z三個(gè)方向的力信息和Mx，My, Mz三個(gè)維度的力矩信息，并且相對(duì)其他結(jié)構(gòu)的傳感器而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、貼片數(shù)量較低等優(yōu)點(diǎn)。六維力傳感器的性能主要考慮其分辨率和量程。在實(shí)際應(yīng)用中，往往希望傳感器在一定的尺寸條件下，有盡量高的分辨率，同時(shí)具有較大的量程(剛度)，然而這兩個(gè)方面恰好形成一對(duì)矛盾，即提高了剛度必然在一定程度上降低其分辨率；反之，提高分辨率往往會(huì)降低傳感器的剛度，從而量程變小。而隨著工業(yè)機(jī)器人、遙操作機(jī)器人等機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是具有大型機(jī)械臂的大型空間機(jī)器人的發(fā)展，對(duì)于力與力矩傳感器的性能方面往往要求測(cè)量更大的力以及較小的力矩，這使得傳感器測(cè)量范圍上產(chǎn)生不對(duì)稱的需求，而原來十字梁結(jié)構(gòu)的六維力與力矩傳感器不易滿足。因此，發(fā)明一種可以測(cè)量大力、小力矩的傳感器非常具有實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，該六維力與力矩傳感器可提高對(duì)力的測(cè)量的剛度，即提高測(cè)量力的量程；同時(shí)對(duì)力矩的測(cè)量剛度也有小幅提高，即可同時(shí)提高測(cè)量力矩的量程，形成一種具有測(cè)量大量程力、小量程力矩的六維力與力矩傳感器。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器,該六維力與力矩傳感器包括中心軸、力敏元件、底座和應(yīng)變片組件，力敏元件固定連接在底座上，中心軸穿過力敏元件和底座，且中心軸與力敏元件過盈配合，應(yīng)變片組件貼覆在力敏元件上，其中，所述的力敏元件包括四根彈性主梁、四根彈性副梁、呈正八角形的中心軸臺(tái)、四個(gè)固定臺(tái)、四個(gè)主浮動(dòng)梁和四個(gè)副浮動(dòng)梁，中心軸臺(tái)的幾何中心設(shè)有通孔，四個(gè)固定臺(tái)均勻分布在中心軸臺(tái)周邊，主浮動(dòng)梁固定連接在相鄰的兩個(gè)固定臺(tái)之間，每個(gè)副浮動(dòng)梁固定連接在一個(gè)固定臺(tái)上，且副浮動(dòng)梁朝向中心軸臺(tái)，副浮動(dòng)梁和固定臺(tái)之間設(shè)有空腔；每根彈性主梁的一端固定連接在中心軸臺(tái)的側(cè)壁上，每根彈性主梁的另一端固定連接在主浮動(dòng)梁上，且彈性主梁分別與中心軸臺(tái)的側(cè)壁和主浮動(dòng)梁垂直；每根彈性副梁的一端固定連接在中心軸臺(tái)的側(cè)壁上，每根彈性副梁的另一端固定連接在副浮動(dòng)梁上，且彈性副梁分別與中心軸臺(tái)的側(cè)壁和副浮動(dòng)梁垂直；彈性主梁和彈性副梁交替布置，且相鄰的彈性主梁和彈性副梁之間的夾角為45度；所述的應(yīng)變片組件包括第一應(yīng)變片組和第二應(yīng)變片組，四根彈性主梁中相對(duì)的兩根彈性主梁上分別貼覆第一應(yīng)變片組，其余兩根彈性主梁上分別貼覆第二應(yīng)變片組，第一應(yīng)變片組包括第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片、第四應(yīng)變片、第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片，第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片分別貼覆在彈性主梁的四側(cè)壁面上，第五應(yīng)變片貼覆在彈性主梁的上壁面，第六應(yīng)變片貼覆在彈性主梁的下壁面，且第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片比第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片靠近中心軸臺(tái)；第二應(yīng)變片組包括第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片、第十應(yīng)變片、第十一應(yīng)變片和第十二應(yīng)變片，第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片分別貼覆在彈性主梁的四側(cè)壁面上，第十一應(yīng)變片貼覆在彈性主梁的左壁面，第十二應(yīng)變片貼覆在彈性主梁的右壁面，且第i^一應(yīng)變片和第十二應(yīng)變片比第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片靠近中心軸臺(tái)；所述的力敏元件的固定臺(tái)與底座固定連接，中心軸與中心軸臺(tái)的通孔過盈配合。有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:(I)提高測(cè)量力和力矩的量程。本發(fā)明改進(jìn)了原六維力與力矩傳感器的十字梁結(jié)構(gòu)，改用米字形的彈性主梁和彈性副梁組成的力敏元件，在彈性主梁和彈性副梁的端部垂直設(shè)置主浮動(dòng)梁和副浮動(dòng)梁。與原十字梁結(jié)構(gòu)在相同尺寸條件下，利用有限元分析軟件ANSYS分析，本發(fā)明的傳感器可在不減小測(cè)量靈敏度的情況下，對(duì)六維的力和力矩測(cè)量量程有不同程度的擴(kuò)大。與同尺寸的十字彈性體相比，本發(fā)明的傳感器對(duì)力的量程擴(kuò)大4一7倍，對(duì)力矩的量程擴(kuò)大2— 4倍，最終形成一種可以測(cè)量大量程力和小量程力矩的六維力與力矩傳感器，對(duì)于大型機(jī)械臂等相關(guān)領(lǐng)域具有極大的實(shí)用價(jià)值。也就是說，本發(fā)明的傳感器具有尺寸小、靈敏度高、剛度高的優(yōu)點(diǎn)。(2)耦合誤差小。本發(fā)明中的彈性主梁和彈性副梁均采用了浮動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，尤其是與彈性副梁連接的副浮動(dòng)梁，副浮動(dòng)梁和固定臺(tái)之間設(shè)置空腔，以實(shí)現(xiàn)副浮動(dòng)梁的彈性支撐效果。主浮動(dòng)梁和副浮動(dòng)梁在不同方向上分別起著柔性梁和彈性支撐梁的作用，從而使各個(gè)方向的作用力不影響其他方向上作用力的效果，因此，該傳感器具有耦合誤差小的優(yōu)點(diǎn)。(3)測(cè)量準(zhǔn)確。本發(fā)明的傳感器采用六組全橋電路，每組全橋電路包括4片應(yīng)變片的技術(shù)措施，使得每組全橋電路測(cè)量一個(gè)維度的力或力矩，電路互相獨(dú)立、互不影響。對(duì)于每個(gè)維度的測(cè)量，利用全等臂差動(dòng)電橋，可以最大程度地提高靈敏度，并消除了電路測(cè)量的非線性誤差。因此， 本發(fā)明以較少的應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)了誤差的進(jìn)一步減小。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中力敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中貼覆應(yīng)變片組件的彈性主梁和彈性副梁的俯視圖。圖4是本發(fā)明中貼覆應(yīng)變片組件的彈性主梁和彈性副梁的仰視圖。圖5是本發(fā)明測(cè)量的X維力Ufx的全橋組橋電路圖。圖6是本發(fā)明測(cè)量的Y維力Ufy的全橋組橋電路圖。圖7是本發(fā)明測(cè)量的Z維力Ufz的全橋組橋電路圖。圖8是本發(fā)明測(cè)量的X維力矩Utx的全橋組橋電路圖。圖9是本發(fā)明測(cè)量的Y維力矩Uty的全橋組橋電路圖。圖10是本發(fā)明測(cè)量的Z維力矩Utz的全橋組橋電路圖。圖11是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中作為對(duì)比例的同尺寸十字形彈性主梁的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是對(duì)比例的傳感器受Fx力時(shí)的形變圖。圖13是本發(fā)明的傳感器受Fx力時(shí)的形變圖。圖14是對(duì)比例的傳感器受Fx時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變線條圖。圖15是本發(fā)明的傳感器受Fx時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變線條圖。圖16是對(duì)比例的傳感器受Fz力時(shí)的形變圖。圖17是本發(fā)明的傳感器受Fz力時(shí)的形變圖。圖18是對(duì)比例的傳感器受Fz時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變線條圖。圖19是本發(fā)明的傳感器受Fz時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變線條圖。圖20是對(duì)比例的傳感器受Mz力時(shí)的形變圖。圖21是本發(fā)明的傳感器受Mz力時(shí)的形變圖。圖22是對(duì)比例的傳感器受Mz時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變圖。圖23是本發(fā)明的傳感器受Mz時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變圖。圖24是對(duì)比例的傳感器受My力時(shí)的形變圖。圖25是本發(fā)明的傳感器受My力時(shí)的形變圖。圖26是對(duì)比例的傳感器受My時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變圖。圖27是本發(fā)明的傳感器受My時(shí)彎曲的彈性主梁表面中心線上的應(yīng)變圖。圖中有中心軸1、力敏元件2、底座3、彈性主梁21、彈性副梁22、中心軸臺(tái)23、固定臺(tái)24、主浮動(dòng)梁25、副浮動(dòng)梁26、空腔27。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，包括中心軸1、力敏元件2、底座3和應(yīng)變片組件。力敏元件2固定連接在底座3上，中心軸I穿過力敏元件2和底座3，且中心軸I與力敏元件2過盈配合，應(yīng)變片組件貼覆在力敏元件2上。通過中心軸I的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)力與力矩的測(cè)量。力敏元件2包括四根彈性主梁21、四根彈性副梁22、呈正八角形的中心軸臺(tái)23、四個(gè)固定臺(tái)24、四個(gè)主浮動(dòng)梁25和四個(gè)副浮動(dòng)梁26。中心軸臺(tái)23的幾何中心設(shè)有通孔。四個(gè)固定臺(tái)24均勻分布在中心軸臺(tái)23周邊。四個(gè)固定臺(tái)24的最外層輪廓可為圓形，便于放置到底座3中。主浮動(dòng)梁25固定連接在相鄰的兩個(gè)固定臺(tái)24之間。每個(gè)副浮動(dòng)梁26固定連接在一個(gè)固定臺(tái)24上，且副浮動(dòng)梁26朝向中心軸臺(tái)23。副浮動(dòng)梁26和固定臺(tái)24之間設(shè)有空腔
27。設(shè)置空腔27，避免了副浮動(dòng)梁26和固定臺(tái)24直接接觸，有利于副浮動(dòng)梁26發(fā)生形變，提高測(cè)量精度。作為優(yōu)選方案，副浮動(dòng)梁26和主浮動(dòng)梁25的厚度相等。每根彈性主梁21的一端固定連接在中心軸臺(tái)23的側(cè)壁上，每根彈性主梁21的另一端固定連接在主浮動(dòng)梁25上，且彈性主梁21分別與中心軸臺(tái)23的側(cè)壁和主浮動(dòng)梁25垂直。每根彈性副梁22的一端固定連接在中心軸臺(tái)23的側(cè)壁上，每根彈性副梁22的另一端固定連接在副浮動(dòng)梁26上，且彈性副梁22分別與中心軸臺(tái)23的側(cè)壁和副浮動(dòng)梁26垂直。彈性主梁21和彈性副梁22交替布置，且相鄰的彈性主梁21和彈性副梁之間的夾角為45度。彈性主梁21和彈性副梁22的截面尺寸相同，但彈性副梁22的長(zhǎng)度比彈性主梁21的長(zhǎng)度短。應(yīng)變片組件包括第一應(yīng)變片組和第二應(yīng)變片組。四根彈性主梁21中相對(duì)的兩根彈性主梁21上分別貼覆第一應(yīng)變片組，其余兩根彈性主梁21上分別貼覆第二應(yīng)變片組。第一應(yīng)變片組包括第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片、第四應(yīng)變片、第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片。第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片分別貼覆在彈性主梁21的四側(cè)壁面上。彈性主梁21的四側(cè)壁面包括上壁面、下壁面、左壁面和右壁面，不包括端面。第五應(yīng)變片貼覆在彈性主梁21的上壁面，第六應(yīng)變片貼覆在彈性主梁21的下壁面，且第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片比第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片靠近中心軸臺(tái)23。第二應(yīng)變片組包括第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片、第十應(yīng)變片、第十一應(yīng)變片和第十二應(yīng)變片。第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片分別貼覆在彈性主梁21的四側(cè)壁面上。第十一應(yīng)變片貼覆在彈性主梁21的左壁面，第十二應(yīng)變片貼覆在彈性主梁21的右壁面，且第十一應(yīng)變片和第十二應(yīng)變片比第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片靠近中心軸臺(tái)23。力敏元件2的固定臺(tái)24與底座3固定連接，中心軸I與中心軸臺(tái)23的通孔過盈配合。進(jìn)一步，所述的四根彈性主梁21和四根彈性副梁22的截面均呈正方形。采用正方形的截面，可以使彈性主梁21和彈性副梁22的z方向的形變和X、y方向的形變具有等效的效果，通過后面的電路采集系統(tǒng)分析形變量之后，再換算到力或力矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系更加簡(jiǎn)單，從而簡(jiǎn)化換算和解耦算法，進(jìn)而簡(jiǎn)化測(cè)量過程。進(jìn)一步，所述的副浮動(dòng)梁26和固定臺(tái)24呈整體式結(jié)構(gòu)。這有利于制作，并且可以提高副浮動(dòng)梁26和固定臺(tái)24連接的穩(wěn)定性。進(jìn)一步，所述的用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，還包括頂蓋，頂蓋上設(shè)有中心孔，頂蓋的中心孔穿過中心軸1，且頂蓋與力敏組件2的固定臺(tái)24固定連接。設(shè)置頂蓋，可以避免雜質(zhì)落入力敏元件2中，影響測(cè)量精度。上述結(jié)構(gòu)的六維力與力矩傳感器對(duì)力和力矩的測(cè)量由電阻應(yīng)變電橋?qū)崿F(xiàn)。每4片應(yīng)變片為一組，構(gòu)成一個(gè)全橋電路測(cè)量一個(gè)維度的力或力矩。本發(fā)明采用24片應(yīng)變片，組成六個(gè)全橋電路。通過測(cè)量每個(gè)電橋的輸出電壓后，根據(jù)現(xiàn)有的多維力傳感器解耦方法可以計(jì)算出三個(gè)維度的力和三個(gè)維度的力矩。例如，申請(qǐng)?zhí)枮?01010168331. 8，發(fā)明名稱為基于耦合誤差建模的多維力傳感器解耦方法的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了該解耦方法。如圖3和圖4所示，位于上部的彈性主梁21貼覆第一應(yīng)變片組，分別為包括上第一應(yīng)變片R1、上第二應(yīng)變片R14、上第三應(yīng)變片R7、上第四應(yīng)變片R13、上第五應(yīng)變片R2和上第六應(yīng)變片R8。位于下部的彈性主梁21也貼覆第一應(yīng)變片組，分別為下第一應(yīng)變片R3、下第二應(yīng)變片R16、下第三應(yīng)變片R9、下第四應(yīng)變片R15、下第五應(yīng)變片&和下第六應(yīng)變片R1(l。位于左部的彈性主梁21貼覆第二應(yīng)變片組，分別為左第七應(yīng)變片R6、左第八應(yīng)變片R22、左第九應(yīng)變片R12、左第十應(yīng)變片R24、左第i^一應(yīng)變片R21和左第十二應(yīng)變片R23。位于右部的彈性主梁21貼覆第二應(yīng)變片組，分別為右第七應(yīng)變片Rn、右第八應(yīng)變片R18、右第九應(yīng)變片R5、右第十應(yīng)變片R2tl、右第i^一應(yīng)變片R17和右第十二應(yīng)變片R19。測(cè)量Fx的四片應(yīng)變片為在y向的十字形彈性主梁21的左右兩側(cè)，并且位于彈性主梁21的根部，靠近中心軸臺(tái)23，即圖中的上第四應(yīng)變片R13、上第二應(yīng)變片R14、下第四應(yīng)變片R15、和下第二應(yīng)變片R16。測(cè)量Fx的電路圖如圖5所示，當(dāng)力敏元件2受正向Fx力產(chǎn)生形變時(shí)，上第二應(yīng)變片R14和下第二應(yīng)變片R16被拉伸，電阻增大；上第四應(yīng)變片R13和下第四應(yīng)變片R15被壓縮，電阻減小。當(dāng)受反向力時(shí)，則該四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化相反。由于機(jī)械形變和應(yīng)變片的對(duì)稱性，變化的電阻AR幾乎相等。組橋時(shí)，電橋相對(duì)臂的應(yīng)變片同向變化(受拉或受壓)，相鄰臂的應(yīng)變片異向變化(一個(gè)受拉一個(gè)受壓)，即保證上第二應(yīng)變片R14和下第二應(yīng)變片R16處于相對(duì)臂，上第四應(yīng)變片R13和下第四應(yīng)變片R15處于相對(duì)臂，形成一個(gè)全等臂差動(dòng)電橋。測(cè)量Fy的四片應(yīng)變片，在X向的十字形彈性主梁21的左右兩側(cè)，且位于彈性主梁21的根部，即圖中的右第i^一應(yīng)變片R17、右第十二應(yīng)變片R19、左第i^一應(yīng)變片R21和左第十二應(yīng)變片R23。測(cè)量Fy的電路圖如圖6所示，當(dāng)力敏元件2受正向Fy力產(chǎn)生形變時(shí)，右第H^一應(yīng)變片R17和左第i^一應(yīng)變片R21被拉伸，電阻增大，右第十二應(yīng)變片R19和左第十二應(yīng)變片R23被壓縮，電阻減小。當(dāng)受反向力時(shí)，則該四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化相反。組橋時(shí)，右第H^一應(yīng)變片R17和左第i^一應(yīng)變片R21處于相對(duì)臂，右第十二應(yīng)變片R19和左第十二應(yīng)變片R23處于相對(duì)臂，形成一個(gè)全等臂差動(dòng)電橋。測(cè)量Fz的四片應(yīng)變片，在y向的十字形彈性主梁21的上下兩側(cè)，即正面和背面，且位于彈性主梁21的根部，即圖中的上第一應(yīng)變片R1、下第一應(yīng)變片R3、上第三應(yīng)變片R7、下第三應(yīng)變片R9。測(cè)量Fz的電路圖如圖7所示，當(dāng)力敏元件2受正向Fz力產(chǎn)生形變時(shí)，上第三應(yīng)變片R7和下第三應(yīng)變片R9被拉伸，電阻增大，上第一應(yīng)變片R1和下第一應(yīng)變片R3被壓縮，電阻減小。當(dāng)受反向力時(shí)，則該四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化相反。組橋時(shí)，上第三應(yīng)變片R7和下第三應(yīng)變片R9處于相對(duì)臂，上第一應(yīng)變片R1和下第一應(yīng)變片R3處于相對(duì)臂，形成一個(gè)全等臂差動(dòng)電橋。測(cè)量Mx的四片應(yīng)變片，在y向的十字形彈性主梁21的上下兩側(cè)，且位于彈性主梁21的中部，即圖中的上第五應(yīng)變片R2、下第五應(yīng)變片R4、上第六應(yīng)變片R8和下第六應(yīng)變片R100測(cè)量Mx的電路圖如圖8所示，當(dāng)力敏元件2受正向Mx力矩產(chǎn)生形變時(shí)，上第五應(yīng)變片R2和下第六應(yīng)變片Rltl被拉伸，電阻增大，下第五應(yīng)變片R4和上第六應(yīng)變片R8被壓縮，電阻減小。當(dāng)受反向力時(shí)，則該四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化相反。組橋時(shí)，上第五應(yīng)變片R2和下第六應(yīng)變片Rltl處于相對(duì)臂，下第五應(yīng)變片R4和上第六應(yīng)變片R8處于相對(duì)臂，形成一個(gè)全等臂差動(dòng)電橋。測(cè)量My的四片應(yīng)變片，在X向的十字形彈性主梁21的上下兩側(cè)，且位于彈性主梁21的中部，即圖中的右第九 應(yīng)變片R5、左第七應(yīng)變片R6、右第七應(yīng)變片R11和左第九應(yīng)變片R12。測(cè)量My的電路圖如圖9所示，當(dāng)力敏元件2受正向My力矩產(chǎn)生形變時(shí)，左第七應(yīng)變片R6和左第九應(yīng)變片R12被拉伸，電阻增大，右第九應(yīng)變片R5和右第七應(yīng)變片R11被壓縮，電阻減小。當(dāng)受反向力時(shí)，則該四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化相反。組橋時(shí)，左第七應(yīng)變片R6和左第九應(yīng)變片R12處于相對(duì)臂，右第九應(yīng)變片R5和右第七應(yīng)變片R11處于相對(duì)臂，形成一個(gè)全等臂差動(dòng)電橋。測(cè)量Mz的四片應(yīng)變片，在X向的十字形彈性主梁21的左右兩側(cè)，并且位于彈性主梁21的中部，即圖中的右第八應(yīng)變片R18、右第十應(yīng)變片R2tl、左第八應(yīng)變片R22和左第十應(yīng)變片民4。測(cè)量Mz的電路圖如圖10所示，當(dāng)力敏元件2受正向Mz力矩產(chǎn)生形變時(shí)，右第八應(yīng)變片R18和左第十應(yīng)變片R24被拉伸，電阻增大，右第十應(yīng)變片R2tl和左第八應(yīng)變片R22被壓縮，電阻減小。當(dāng)受反向力時(shí)，則該四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化相反。組橋時(shí)，右第八應(yīng)變片R18和左第十應(yīng)變片R24處于相對(duì)臂，右第十應(yīng)變片R2tl和左第八應(yīng)變片R22處于相對(duì)臂，形成一個(gè)全等臂差動(dòng)電橋。為了保證測(cè)量的精確性，應(yīng)變片的位置保持對(duì)稱性，各應(yīng)變片的中心軸線要和彈性主梁21的中心軸線重合。其中，位于彈性主梁21根部的應(yīng)變片距離中心軸臺(tái)的圓心的距離用a表示，位于彈性主梁21中部的應(yīng)變片距離中心軸臺(tái)23圓心的距離用b表示。a和b的值根據(jù)彈性主梁21的具體尺寸變化而進(jìn)行比例性的伸縮。設(shè)彈性主梁21的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，中心軸臺(tái)23圓心到中心軸臺(tái)23側(cè)壁的距離為S，則:a=s+L/5b=s+2L/5下面通過試驗(yàn)對(duì)比，來證明本發(fā)明的六維力與力矩傳感器的優(yōu)良性能。作為對(duì)比的六維力與力矩傳感器(下文簡(jiǎn)稱:對(duì)比例的傳感器)，其結(jié)構(gòu)與本發(fā)明相同，不同的是，沒有采用彈性副梁22和副浮動(dòng)梁26結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)與本發(fā)明相同，包括應(yīng)變片的貼覆位置均與本發(fā)明相同，具體參數(shù)如表I所示。對(duì)比例的傳感器的力敏元件結(jié)構(gòu)如圖11所示。表1傳感器尺寸參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，其特征在于，該六維力與力矩傳感器包括中心軸(I)、力敏元件(2)、底座(3)和應(yīng)變片組件,力敏元件(2)固定連接在底座(3)上，中心軸(I)穿過力敏元件(2)和底座(3)，且中心軸(I)與力敏元件(2 )過盈配合，應(yīng)變片組件貼覆在力敏元件(2 )上，其中， 所述的力敏元件(2)包括四根彈性主梁(21)、四根彈性副梁(22)、呈正八角形的中心軸臺(tái)(23)、四個(gè)固定臺(tái)(24)、四個(gè)主浮動(dòng)梁(25)和四個(gè)副浮動(dòng)梁(26)，中心軸臺(tái)(23)的幾何中心設(shè)有通孔，四個(gè)固定臺(tái)(24)均勻分布在中心軸臺(tái)(23)周邊，主浮動(dòng)梁(25)固定連接在相鄰的兩個(gè)固定臺(tái)(24)之間，每個(gè)副浮動(dòng)梁(26)固定連接在一個(gè)固定臺(tái)(24)上，且副浮動(dòng)梁(26 )朝向中心軸臺(tái)(23 )，副浮動(dòng)梁(26 )和固定臺(tái)(24 )之間設(shè)有空腔(27 );每根彈性主梁(21)的一端固定連接在中心軸臺(tái)(23)的側(cè)壁上，每根彈性主梁(21)的另一端固定連接在主浮動(dòng)梁(25)上，且彈性主梁(21)分別與中心軸臺(tái)(23)的側(cè)壁和主浮動(dòng)梁(25)垂直；每根彈性副梁(22)的一端固定連接在中心軸臺(tái)(23)的側(cè)壁上，每根彈性副梁(22)的另一端固定連接在副浮動(dòng)梁(26)上，且彈性副梁(22)分別與中心軸臺(tái)(23)的側(cè)壁和副浮動(dòng)梁(26)垂直；彈性主梁(21)和彈性副梁(22)交替布置，且相鄰的彈性主梁(21)和彈性副梁之間的夾角為45度； 所述的應(yīng)變片組件包括第一應(yīng)變片組和第二應(yīng)變片組，四根彈性主梁(21)中相對(duì)的兩根彈性主梁(21)上分別貼覆第一應(yīng)變片組，其余兩根彈性主梁(21)上分別貼覆第二應(yīng)變片組，第一應(yīng)變片組包括第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片、第四應(yīng)變片、第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片，第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片分別貼覆在彈性主梁(21)的四側(cè)壁面上，第五應(yīng)變片貼覆在彈性主梁(21)的上壁面，第六應(yīng)變片貼覆在彈性主梁(21)的下壁面，且第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片比第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片靠近中心軸臺(tái)(23);第二應(yīng)變片組包括第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片、第十應(yīng)變片、第i^一應(yīng)變片和第十二應(yīng)變片，第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片分別貼覆在彈性主梁(21)的四側(cè)壁面上，第十一應(yīng)變片貼覆在彈性主梁(21)的左壁面，第十二應(yīng)變片貼覆在彈性主梁(21)的右壁面，且第i^一應(yīng)變片和第十二應(yīng)變片比第七應(yīng)變片、第八應(yīng)變片、第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片靠近中心軸臺(tái)(23)； 所述的力敏元件(2 )的固定臺(tái)(24 )與底座(3 )固定連接，中心軸(I)與中心軸臺(tái)(23 )的通孔過盈配合。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，其特征在于，所述的四根彈性主梁(21)和四根彈性副梁(22)的截面均呈正方形。
3.按照權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，其特征在于，所述的副浮動(dòng)梁(26)和固定臺(tái)(24)呈整體式結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，其特征在于，還包括頂蓋，頂蓋上設(shè)有中心孔，頂蓋的中心孔穿過中心軸(I )，且頂蓋與力敏組件(2)的固定臺(tái)(24)固定連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測(cè)量大型機(jī)械臂大力與小力矩的六維力與力矩傳感器，包括中心軸、力敏元件、底座和應(yīng)變片組件，力敏元件固定連接在底座上，中心軸穿過力敏元件和底座，且中心軸與力敏元件過盈配合，應(yīng)變片組件貼覆在力敏元件上，力敏元件包括四根彈性主梁、四根彈性副梁、呈正八角形的中心軸臺(tái)、四個(gè)固定臺(tái)、四個(gè)主浮動(dòng)梁和四個(gè)副浮動(dòng)梁，應(yīng)變片組件包括第一應(yīng)變片組和第二應(yīng)變片組，四根彈性主梁中相對(duì)的兩根彈性主梁上分別貼覆第一應(yīng)變片組，其余兩根彈性主梁上分別貼覆第二應(yīng)變片組；中心軸與中心軸臺(tái)的通孔過盈配合。該六維力與力矩傳感器可提高對(duì)力的測(cè)量的剛度，同時(shí)對(duì)力矩的測(cè)量剛度也有小幅提高。
文檔編號(hào)G01L3/00GK103076131SQ20121058978
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者宋愛國(guó), 陳丹鳳, 徐寶國(guó), 茅晨, 武秀秀, 潘棟成 申請(qǐng)人:東南大學(xué)