本發(fā)明涉及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型六維力和力矩傳感器。

背景技術(shù)：

多維力和力矩傳感器指的是一種能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力或力矩分量的力傳感器，在笛卡爾坐標(biāo)系中力和力矩可以各自分解為三個(gè)分量，因此，多維力最完整的形式是六維力和力矩傳感器，即能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量的傳感器。多維力和力矩傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、軍工等領(lǐng)域中。

金屬箔貼片式六維傳感器由于技術(shù)成熟，相比壓電式和半導(dǎo)體式傳感器穩(wěn)定性能好，對(duì)工作環(huán)境要求不高，因而被廣泛應(yīng)用。但是在現(xiàn)有技術(shù)的金屬箔貼片式六維傳感器存在很多缺陷：

現(xiàn)有的多維力傳感器的結(jié)構(gòu)本身不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自解耦，某些多維力傳感器某一個(gè)或某幾個(gè)方向的力(力矩)需要通過(guò)其他方向的輸出和結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行推算，這會(huì)使系統(tǒng)誤差增大；現(xiàn)有的具有三梁結(jié)構(gòu)的多維力傳感器，雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自解耦；此外，上述的金屬箔貼片式六維傳感器測(cè)量力矩的量程普遍偏低，其主要原因?yàn)榱氐脑龃髮?duì)彈性體的強(qiáng)度和剛度都有較高的要求，對(duì)連接用的銷(xiāo)釘或其他定位零件也有很高的強(qiáng)度和剛度要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種新型六維力和力矩傳感器，具有能夠測(cè)量大力矩，結(jié)構(gòu)自解耦，強(qiáng)度高，剛度大，固有頻率高，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，分辨力和精度高等特點(diǎn)。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)手段解決上述問(wèn)題：

本發(fā)明的新型六維力和力矩傳感器，其特征在于：包括中心凸臺(tái)、設(shè)置在中心凸臺(tái)外側(cè)的筒形外殼和用于連接所述中心凸臺(tái)與所述筒形外殼的12根彈性梁，12根所述彈性梁上根據(jù)需要分別布有應(yīng)變片，所述中心凸臺(tái)的底部開(kāi)設(shè)有用于安裝信號(hào)處理模塊的安裝孔；

12根所述彈性梁分為第一梁組和第二梁組，所述第一梁組包括8個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第一梁體，所述第二梁組包括4個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第二梁體，8個(gè)所述第一梁體分為四組分別設(shè)置在所述中心凸臺(tái)的上端、下端、左端和右端，4個(gè)所述第二梁體分別設(shè)置在同一組的兩個(gè)所述第一梁體之間。

進(jìn)一步，所述中心凸臺(tái)為方柱形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，所述第一梁體的頂部高于所述第二梁體的頂部，所述第一梁體的底部低于所述第二梁體的底部，且所述第一梁體和所述第二梁體的中心截面在同一平面。

進(jìn)一步，所述第一梁體為L(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，所述第一梁體包括靠近所述中心凸臺(tái)的第一貼片區(qū)和靠近所述筒形外殼的第一協(xié)調(diào)區(qū)。

進(jìn)一步，所述第二梁體為三段式結(jié)構(gòu)，包括兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)有兩個(gè)凹槽的第二貼片區(qū)，以及靠近所述中心凸臺(tái)和靠近所述筒形外殼的第二協(xié)調(diào)區(qū)。

進(jìn)一步，所述應(yīng)變片有24個(gè)，分別為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，且24個(gè)所述應(yīng)變片根據(jù)需要每4個(gè)組成一個(gè)全橋電路，每個(gè)所述全橋電路分別與所述信號(hào)處理模塊的輸入端連接，所述信號(hào)處理模塊的輸出端連接終端，則：

所述R1與所述R2、所述R3與所述R4、所述R5與所述R6、所述R7與所述R8、所述R9與所述R10、所述R11與所述R12分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第一梁體的上表面和下表面的所述第一貼片區(qū)，所述R15與所述R16、所述R13與所述R14分別關(guān)于所述中心凸臺(tái)的豎向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置于所述第一梁體的兩外側(cè)，所述R17與所述R18、所述R19與所述R20、所述R21與所述R22、所述R23與所述R24分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第二梁體的上表面和下表面的所述第二貼片區(qū)。

進(jìn)一步，所述中心凸臺(tái)的上端設(shè)有方形推拔，所述方形推拔與連接法蘭配合，所述方形推拔的頂部設(shè)有一個(gè)M10螺紋孔，所述螺紋孔用于所述方形推拔與所述連接法蘭的緊固連接。

本發(fā)明的新型六維力和力矩傳感器，12根所述彈性梁上分布的多個(gè)應(yīng)變片根據(jù)需要各自組成全橋式檢測(cè)電路，耦合方向橋路中的4個(gè)所述應(yīng)變片橋臂電壓相互抵消，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自解耦；當(dāng)所述中心凸臺(tái)作用力和力矩時(shí)，12根所述彈性梁均會(huì)產(chǎn)生拉壓變形或者彎曲變形，從而引起各全橋式電路輸出的電壓信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析處理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)自解耦，剛度大，固有頻率高，線(xiàn)性度、重復(fù)性和遲滯理想的特點(diǎn)，可以測(cè)量較大的力矩(50N·m)，此外，通過(guò)各個(gè)所述彈性梁的尺寸變化可以設(shè)計(jì)成不同量程和靈敏度的傳感器。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的新型六維力和力矩傳感器的未貼應(yīng)變片時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的新型六維力和力矩傳感器的貼有應(yīng)變片時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明新型六維力和力矩傳感器的電路原理框圖。

如圖1、圖2、圖3，筒形外殼-1、中心凸臺(tái)-2、第一梁體-31、第一貼片區(qū)-311、第一協(xié)調(diào)區(qū)-312、第二梁體-32、第二貼片區(qū)-321、第二協(xié)調(diào)區(qū)-322、應(yīng)變片-4、信號(hào)處理模塊-5、方形推拔-6。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖1至圖3所示：本實(shí)施例所述的新型六維力和力矩傳感器，包括中心凸臺(tái)2、設(shè)置在中心凸臺(tái)2外側(cè)的筒形外殼1和用于連接所述中心凸臺(tái)2與所述筒形外殼1的12根彈性梁，12根所述彈性梁上根據(jù)需要分別布有應(yīng)變片4，所述中心凸臺(tái)2的底部開(kāi)設(shè)有用于安裝信號(hào)處理模塊5的安裝孔(圖中未示出)，在安裝時(shí)將信號(hào)處理模塊5通過(guò)所述安裝孔安裝在所述中心凸臺(tái)2的下端；

具體的，12根所述彈性梁分為第一梁組和第二梁組，所述第一梁組包括8個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第一梁體31，所述第二梁組包括4個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第二梁體32，8個(gè)所述第一梁體31分為四組分別設(shè)置在所述中心凸臺(tái)2的上端、下端、左端和右端，4個(gè)所述第二梁體32分別設(shè)置在同一組的兩個(gè)所述第一梁體31之間，實(shí)現(xiàn)了力、力矩的測(cè)量的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和固有頻率。

本實(shí)施例所述的新型六維力和力矩傳感器，12根所述彈性梁上分布的多個(gè)應(yīng)變片4根據(jù)需要組成全橋式檢測(cè)電路，耦合方向橋路中的4個(gè)所述應(yīng)變片4橋臂電壓相互抵消，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自解耦；當(dāng)所述中心凸臺(tái)2作用力和力矩時(shí)，12根所述彈性梁均會(huì)產(chǎn)生拉壓變形或者彎曲變形，從而引起各全橋式電路輸出的電壓信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析處理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)自解耦，剛度大，固有頻率高，線(xiàn)性度、重復(fù)性和遲滯理想的特點(diǎn)，可以測(cè)量較大的力矩(50N·m)，此外，通過(guò)各個(gè)所述彈性梁的尺寸變化可以設(shè)計(jì)成不同量程和靈敏度的傳感器。

為了提高彈性體剛度，作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述中心凸臺(tái)2為方柱形結(jié)構(gòu)。

為了提高彈性體強(qiáng)度，作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一梁體31的頂部高于所述第二梁體32的頂部，所述第一梁體31的底部低于所述第二梁體32的底部。

為了便于使用和提高彈性體強(qiáng)度，作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述中心凸臺(tái)2的上端設(shè)有方形推拔6，所述方形推拔6具有較大的承載能力，所述方形推拔6與連接法蘭(圖中未示出)配合，具體的，所述方形推拔6的頂部設(shè)有一個(gè)M10螺紋孔，所述螺紋孔用于所述方形推拔6與所述連接法蘭的緊固連接，所述方形推拔6與所述連接法蘭配合可以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，能夠用于動(dòng)態(tài)測(cè)量(如往復(fù)運(yùn)動(dòng))，同時(shí)所述方形推拔6與連接法蘭裝配方式剛度和強(qiáng)度均滿(mǎn)足大力矩作用工況。

在本實(shí)施例中，所述第一梁體31為L(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，所述第一梁體31包括靠近所述中心凸臺(tái)2的第一貼片區(qū)311和靠近所述筒形外殼1的第一協(xié)調(diào)區(qū)312；

所述第二梁體32為三段式結(jié)構(gòu)，包括兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)有兩個(gè)凹槽的第二貼片區(qū)321，以及靠近所述中心凸臺(tái)和靠近所述筒形外殼的第二協(xié)調(diào)區(qū)322。

具體的，所述第一協(xié)調(diào)區(qū)312和所述第二協(xié)調(diào)區(qū)322分別是為了提高所述第一貼片區(qū)311和所述第二貼片區(qū)321的應(yīng)變，并提高所述第一梁體31和所述第二梁體32的強(qiáng)度和彈性體整體剛度的結(jié)構(gòu)。

多個(gè)所述應(yīng)變片4分別由Rn(n＝1，2，3，4……)來(lái)表示，在本實(shí)施例中，所述應(yīng)變片4有24個(gè)，分別為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24，且24個(gè)所述應(yīng)變片4根據(jù)需要每4個(gè)組成一個(gè)全橋電路，每個(gè)所述全橋電路分別與所述信號(hào)處理模塊5的輸入端連接，所述信號(hào)處理模塊的輸出端連接終端，則：

所述R1與所述R2、所述R3與所述R4、所述R5與所述R6、所述R7與所述R8、所述R9與所述R10、所述R11與所述R12分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第一梁體31的上表面和下表面的所述第一貼片區(qū)311，所述R13與所述R14、所述R16與所述R15分別關(guān)于所述中心凸臺(tái)2的豎向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置于所述第一梁體31的兩外側(cè)，所述R17與所述R18、所述R19與所述R20、所述R21與所述R22、所述R23與所述R24分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第二梁體32的上表面和下表面的所述第二貼片區(qū)321。

具體的，所述R1與所述R2、所述R7與所述R8分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第一梁體31的上表面和下表面，且所述R1與所述R7、所述R2與所述R8分別呈反對(duì)稱(chēng)布置。

所述R3與所述R4、所述R5與所述R6、所述R9與所述R10、所述R11與所述R12分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第一梁體31的上表面和下表面，且所述R3與所述R9、所述R4與所述R10分別關(guān)于所述中心凸臺(tái)2豎直方向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，所述R5與所述R11、所述R6與所述R12分別關(guān)于所述中心凸臺(tái)2水平方向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置；

所述R17與所述R21、所述R18與所述R22分別關(guān)于所述中心凸臺(tái)2豎直方向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，所述R19與所述R23、所述R20與所述R24分別關(guān)于所述中心凸臺(tái)2水平方向中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置，且所述R17與所述R18、所述R19與所述R20、所述R21與所述R22、所述R23與所述R24分別對(duì)稱(chēng)布置于所述第二梁體32的上表面和下表面。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。