一種低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，包括外圓環(huán)壁、內(nèi)圓環(huán)壁、外圈應(yīng)力梁、內(nèi)圈應(yīng)力梁和一個中心加載軸。固定外圓環(huán)壁，利用彈性體內(nèi)部的應(yīng)變原理，測量三維空間中x，y，z方向的力和x，y，z方向的力矩。其中，內(nèi)圈應(yīng)力梁上貼有四組應(yīng)變片，分別敏感三維空間中x，y，z方向的力和z方向的力矩；外圈應(yīng)力梁上貼有兩組應(yīng)變片，分別敏感三維空間中x和y方向的力矩。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)解耦、維間耦合小的突出優(yōu)點，可適用于多種場合，尤其是智能機器人這類基于復(fù)雜系統(tǒng)的工程應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】一種低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種六維力傳感器，具體涉及一種低維間耦合 的雙十字梁型六維力和力矩傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 機器人技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)之一，它又衍生出智能機器人、特殊作業(yè)機器 人、工業(yè)機器人、遙操作機器人、康復(fù)理療機器人等眾多分支，對所有的分支而言，力傳感器 都是機器人感知系統(tǒng)中最重要的一種。特別是在某些極限的環(huán)境如航天、深海作業(yè)、防災(zāi)等 危險場合，及柔性裝配、多指靈巧手、機器人遙操作等特殊場合，力傳感器是機器人所用傳 感器最為關(guān)鍵的一種。
[0003] 為了準確獲取空間的力覺信息，往往需要同時測量三維空間中多個維度的力或力 矩信息，多維力傳感器就是實現(xiàn)這種力覺感知的元件。在智能機器人領(lǐng)域，多維力傳感器裝 配于機械手臂的前端、手爪的末端，用于檢測機械手與外部環(huán)境的接觸力的大小和方向，實 現(xiàn)力反饋以及機械臂的力控制。
[0004] 應(yīng)變式多維力傳感器是該領(lǐng)域最常用的一種，典型的結(jié)構(gòu)有橫梁結(jié)構(gòu)和堅梁結(jié)構(gòu) 兩種。1975年美國的P. C. Waston和S. H. Drake設(shè)計了一種堅梁結(jié)構(gòu)的整體式六維力傳感 器，它是整體成型的，由一個金屬環(huán)周壁銑成，三根細梁按120°周向均勻分布。橫梁的典型 代表是斯坦福大學人工智能研究所七十年代設(shè)計的，美國Load公司生產(chǎn)的Scheinman腕力 傳感器。中國科學院合肥智能所和東南大學聯(lián)合研制的SAFMS型腕力傳感器采用的則是這 種結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)雖然是使用最廣泛的，但是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的誤差，不可避免 具有維間耦合。維間耦合是指作用在傳感器某一個維度的力或力矩會對其他維度的輸出產(chǎn) 生影響，造成另一個維度在零輸入時仍有輸出。維間耦合是限制傳感器精度的一個重要因 素，因此解耦方法也是研究的熱點。最傳統(tǒng)的解耦算法是基于最小二乘法和求解矩陣廣義 逆的靜態(tài)解耦算法，這種方法算法復(fù)雜，容易產(chǎn)生病態(tài)矩陣，且只適用于線性解耦。馬俊青 等人提出一種基于耦合誤差建模的多維力傳感器解耦方法，這種方法簡單可靠，運算量少。 Voyles等人提出了一種快速線性解稱算法，稱為shape from motion,也具有較好的效果。近 年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析等多種建模方法也被廣泛用到解耦之中，主要解決傳感器的非 線性問題。然而，解耦算法一般對硬件采集電路和處理器性能要求很高。因此，研究可以結(jié) 構(gòu)解耦的傳感器結(jié)構(gòu)則可以簡化解耦算法，更利于工程應(yīng)用。結(jié)構(gòu)解耦的型式也有多種，如 上海交通大學提出的一種具有滑移結(jié)構(gòu)的低維間耦合的小量程六維力傳感器等，而這種基 于結(jié)構(gòu)解耦的傳感器又往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度相對較高。
[0005] 由此可知，傳感器領(lǐng)域，尤其是智能機器人這類基于復(fù)雜系統(tǒng)的工程應(yīng)用領(lǐng)域，研 究一種低維間耦合的六維力和力矩傳感器具有重要意義，尤其是設(shè)計一種具有結(jié)構(gòu)解耦功 能的傳感器，具有廣泛的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對目前國內(nèi)外力傳感器在進行多維測量時，存在較嚴重的維間耦合 的問題，提出一種低維間耦合的新型傳感器結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)解耦，減少簡化解耦算法， 減小測量誤差。
[0007] 技術(shù)方案：一種低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，該傳感器包括彈 性體結(jié)構(gòu)和六組應(yīng)變片組；
[0008] 所述彈性體結(jié)構(gòu)包括外圓環(huán)壁、內(nèi)圓環(huán)壁、四根結(jié)構(gòu)相同的外圈應(yīng)力梁、四根結(jié)構(gòu) 相同的內(nèi)圈應(yīng)力梁以及一個中心加載軸；以外圓環(huán)壁的幾何中心為原點〇定義一個XYZ三 維直角坐標系,所述外圓環(huán)壁、內(nèi)圓環(huán)壁、外圈應(yīng)力梁、內(nèi)圈應(yīng)力梁的中心橫截面均位于Χ0Υ 平面上，所述中心加載軸的中軸線位于Z軸上，外圓環(huán)壁、內(nèi)圓環(huán)壁和中心加載軸同軸設(shè) 置，外圓環(huán)壁的高度高于內(nèi)圓環(huán)壁；所述四個外圈應(yīng)力梁以原點0為中心，均勻布置在外圓 環(huán)壁和內(nèi)圓環(huán)壁之間，且外圈應(yīng)力梁兩端分別與外圓環(huán)壁和內(nèi)圓環(huán)壁固定；所述四個內(nèi)圈 應(yīng)力梁以原點0為中心，均勻布置在內(nèi)圓環(huán)壁和中心加載軸之間，且內(nèi)圈應(yīng)力梁兩端分別 與內(nèi)圓環(huán)壁和中心加載軸固定；所述外圈應(yīng)力梁位于X軸或Y軸上，所述內(nèi)圈應(yīng)力梁位于X 軸或Y軸上；
[0009] 所述六組應(yīng)變片組粘貼在四根外圈應(yīng)力梁和四根內(nèi)圈應(yīng)力梁上，每組應(yīng)變片組構(gòu) 成一個惠斯通電橋。
[0010] 作為本發(fā)明的改進，所述彈性體結(jié)構(gòu)中，所述四根外圈應(yīng)力梁為薄片結(jié)構(gòu)并分別 沿X軸和Y軸設(shè)置；沿X軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁與YZ坐標平面平行的截面為矩形，且沿 Y軸方向長度大于沿Z軸方向的高度；沿Y軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁與XZ坐標平面平行的 截面為矩形，且沿X軸方向長度大于沿Z軸方向的高度；所述四根內(nèi)圈應(yīng)力梁分別沿X軸和 Y軸設(shè)置；沿X軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁與YZ坐標平面平行的截面為正方形，沿Y軸方向 設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁與XZ坐標平面平行的截面為正方形。
[0011] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述沿X軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁的沿Z軸方向的高 度低于沿X軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Z軸方向的高度，并且沿Y軸方向的長度大于內(nèi)圈 應(yīng)力梁沿Y軸方向的長度；所述沿Y軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁的沿Z軸方向的高度低于沿 Y軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Z軸方向的高度，并且沿X軸方向的長度大于內(nèi)圈應(yīng)力梁沿X 軸方向的長度。
[0012] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述第一應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力，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；所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片分別對稱設(shè) 置在沿Y軸方向排布的第一內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行YZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿Y軸軸線 并靠近所述中心加載軸設(shè)置；所述第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排 布的第二內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行YZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿Y軸軸線并靠近所述中心加 載軸設(shè)置；
[0013] 所述第二應(yīng)變片組用于測量空間y方向的力，包括第五應(yīng)變片、第六應(yīng)變片、第七 應(yīng)變片、第八應(yīng)變片；所述第五應(yīng)變片和第六應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第 三內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線并靠近所述中心加載軸設(shè) 置；所述第七應(yīng)變片和第八應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第四內(nèi)圈應(yīng)力梁中平 行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線并靠近所述中心加載軸設(shè)置；
[0014] 所述第三應(yīng)變片組用于測量空間z方向的力，包括第九應(yīng)變片、第十應(yīng)變片、第 十一應(yīng)變片、第十二應(yīng)變片；所述第九應(yīng)變片和第十應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排 布的第一內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行ΧΥ坐標平面的兩個面上，同時沿Υ軸軸線設(shè)置；所述第十一應(yīng) 變片和第十二應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿Υ軸方向排布的第二內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行ΧΥ坐標平 面的兩個面上，同時沿Υ軸軸線設(shè)置；
[0015] 所述第四應(yīng)變片組用于測量空間ζ方向的力矩，包括第十三應(yīng)變片、第十四應(yīng)變 片、第十五應(yīng)變片、第十六應(yīng)變片；所述第十三應(yīng)變片和第十四應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿X 軸方向排布的第三內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行ΧΖ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線并稍遠離 所述中心加載軸設(shè)置；所述第十五應(yīng)變片和第十六應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布 的第四內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行ΧΖ坐標平面的兩個面上，同時沿X軸軸線并稍遠離所述中心加載 軸設(shè)置；
[0016] 所述第五應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力矩，包括第十七應(yīng)變片、第十八應(yīng)變 片、第十九應(yīng)變片、第二十應(yīng)變片；所述第十七應(yīng)變片和第十八應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿Υ 軸方向排布的第一外圈應(yīng)力梁中平行ΧΥ坐標平面的兩個面上，同時沿Υ軸軸線設(shè)置；所述 第十九應(yīng)變片和第二十應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿Υ軸方向排布的第二外圈應(yīng)力梁中平行 ΧΥ坐標平面的兩個面上，同時沿Υ軸軸線設(shè)置；
[0017] 所述第六應(yīng)變片組用于測量空間y方向力矩，包括第二十一應(yīng)變片、第二十二應(yīng) 變片、第二十三應(yīng)變片、第二十四應(yīng)變片；第二i^一應(yīng)變片和第二十二應(yīng)變片分別對稱設(shè)置 在沿X軸方向排布的第三外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿X軸軸線設(shè) 置；所述第二十三應(yīng)變片和第二十四應(yīng)變片分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第四外圈應(yīng) 力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿X軸軸線設(shè)置；
[0018] 每組應(yīng)變片組中的四個應(yīng)變片與中心加載軸的軸線等距設(shè)置。
[0019] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0020] ⑴維間耦合低，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)解耦。一方面，本發(fā)明采用內(nèi)圈應(yīng)力梁和外圈應(yīng)力梁 的雙十字梁結(jié)構(gòu)，去除了傳統(tǒng)六維力傳感器的浮動梁結(jié)構(gòu)，減少由浮動梁在不必要的方向 的移動引起的維間串擾。另一方面，不再按照傳統(tǒng)的十字梁貼片方式，將敏感力和力矩的應(yīng) 變片貼在同一個梁上，而是把對力的敏感位置和對力矩的敏感位置分開，使得敏感力和力 矩的位置分開。因此本發(fā)明與傳統(tǒng)的十字梁結(jié)構(gòu)相比，減少了維間耦合，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)解耦。
[0021] (2)對力和力矩的靈敏度設(shè)計更具靈活性。雙十字梁的設(shè)計，使得對力和力矩的應(yīng) 變效果分開。外圈應(yīng)力梁對力矩的測量的靈敏度更高，且內(nèi)外圈應(yīng)力梁梁尺寸分開設(shè)計使 得傳感器對不同維度的力和力矩的靈敏度可以更加靈活地組合。普通的十字梁結(jié)構(gòu)不僅不 具有這種靈活性，而且將敏感力矩的應(yīng)變片貼在應(yīng)變效果較弱的位置，犧牲了對力矩的敏 感效果。
[0022] (3)整體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高了傳感器的動態(tài)性能，減小了重復(fù)性誤差?，F(xiàn)有的無 維間耦合的傳感器都需要精密的零件加工和復(fù)雜的裝配，制作成本非常高，并且無耦合也 是理想狀態(tài)，實際測試仍然有少量耦合。本發(fā)明相對于這一類傳感器而言，結(jié)構(gòu)簡單，易于 加工，制作成本低廉。同時，本發(fā)明也有整體式結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能好、重復(fù)性誤差小的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的傳感器的側(cè)面剖視圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的傳感器的貼片示意俯視圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明的傳感器的貼片左視剖切圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明的傳感器的貼片正視剖切圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明傳感器受X方向的力的形變圖；
[0029] 圖7為本發(fā)明傳感器受Z方向的力的形變圖；
[0030] 圖8為本發(fā)明傳感器受Y方向的力矩的形變圖；
[0031] 圖9為本發(fā)明傳感器受Z方向的力矩的形變圖；
[0032] 圖10為本發(fā)明的傳感器的裝配示意圖；
[0033] 圖11為本發(fā)明的傳感器的與底座的連接示意圖；
[0034] 圖中有：外圓環(huán)壁1、內(nèi)圓環(huán)壁2、外圈應(yīng)力梁3、內(nèi)圈應(yīng)力梁4和一個中心加載軸 5〇

【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0036] -種低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，包括彈性體結(jié)構(gòu)和六組應(yīng)變 片組。如圖1所示，彈性體結(jié)構(gòu)包括外圓環(huán)壁1、內(nèi)圓環(huán)壁2、四根結(jié)構(gòu)相同的外圈應(yīng)力梁3、 四根結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)圈應(yīng)力梁4以及一個中心加載軸5。以外圓環(huán)壁1的幾何中心為原點0 定義一個XYZ三維直角坐標系，外圓環(huán)壁1、內(nèi)圓環(huán)壁2、外圈應(yīng)力梁3、內(nèi)圈應(yīng)力梁4的中心 橫截面均位于Χ0Υ平面上，除中心加載軸5外，彈性體結(jié)構(gòu)關(guān)于XY坐標平面對稱。中心加 載軸5的中軸線位于Z軸上。外圓環(huán)壁1、內(nèi)圓環(huán)壁2和中心加載軸5同軸設(shè)置，外圓環(huán)壁 1的高度高于內(nèi)圓環(huán)壁2。四個外圈應(yīng)力梁3以原點0為中心，均勻布置在外圓環(huán)壁1和內(nèi) 圓環(huán)壁2之間，外圈應(yīng)力梁3兩兩位于X軸和Y軸上，且外圈應(yīng)力梁3兩端分別與外圓環(huán)壁 1和內(nèi)圓環(huán)壁2固定。四個內(nèi)圈應(yīng)力梁4以原點0為中心，均勻布置在內(nèi)圓環(huán)壁2和中心加 載軸5之間，內(nèi)圈應(yīng)力梁4兩兩位于X軸和Y軸上，且內(nèi)圈應(yīng)力梁4兩端分別與內(nèi)圓環(huán)壁2 和中心加載軸5固定；從而使得四根內(nèi)圈應(yīng)力梁4形成十字梁結(jié)構(gòu)，且十字梁結(jié)構(gòu)的交點位 于中心加載軸5處。
[0037] 彈性體結(jié)構(gòu)中，四根外圈應(yīng)力梁3為薄片結(jié)構(gòu)并分別沿X軸和Y軸設(shè)置。如圖2 所示，沿X軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁與YZ坐標平面平行的截面為矩形，且沿Y軸方向長度 大于沿Z軸方向的高度；沿Y軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁與XZ坐標平面平行的截面為矩形， 且沿X軸方向長度大于沿Z軸方向的高度。四根內(nèi)圈應(yīng)力梁4分別沿X軸和Y軸設(shè)置，沿 X軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁與YZ坐標平面平行的截面為正方形，沿Y軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng) 力梁與XZ坐標平面平行的截面為正方形。進一步地，沿X軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁的沿Z 軸方向的高度低于沿X軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Z軸方向的高度，并且沿Y軸方向的長 度大于內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Y軸方向的長度；沿Y軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁的沿Z軸方向的高度 低于沿Y軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Z軸方向的高度，并且沿Z軸方向的長度大于內(nèi)圈應(yīng) 力梁X軸方向的長度。
[0038] 本發(fā)明為應(yīng)變式多維力傳感器，在本彈性體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置上貼覆應(yīng)變片后，通 過電氣連接將應(yīng)變片組成橋式電路可以測量空間六維力和力矩。由于全橋電路具有靈敏度 高、非線性誤差小的優(yōu)點，本發(fā)明六個維度的測量各采用一個全橋電路測量。因此，本發(fā)明 的傳感器上共貼覆有六組應(yīng)變片組，每組應(yīng)變片組包括四個應(yīng)變片，每組應(yīng)變片組測量空 間一個維度的力或力矩。
[0039] 具體的如圖3所示，傳感器的六組應(yīng)變片組粘貼在四根外圈應(yīng)力梁3和四根內(nèi)圈 應(yīng)力梁4上，且設(shè)置在靠近四根內(nèi)圈應(yīng)力梁4與中心加載軸5連接處，以及靠近四根內(nèi)圈應(yīng) 力梁4與內(nèi)圓環(huán)壁2連接處；每組應(yīng)變片組構(gòu)成一個惠斯通電橋。
[0040] 其中，第一應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力，包括第一應(yīng)變片R1、第二應(yīng)變片 R2、第三應(yīng)變片R3、第四應(yīng)變片R4。第一應(yīng)變片R1和第二應(yīng)變片R2分別對稱設(shè)置在沿Y 軸方向排布的第一內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行YZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿Y軸軸線并靠近所 述中心加載軸5設(shè)置。第三應(yīng)變片R3和第四應(yīng)變片R4分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的 第二內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行YZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿Y軸軸線并靠近中心加載軸5設(shè) 置。
[0041] 第二應(yīng)變片組用于測量空間y方向的力，包括第五應(yīng)變片R5、第六應(yīng)變片R6、第七 應(yīng)變片R7、第八應(yīng)變片R8。第五應(yīng)變片R5和第六應(yīng)變片R6分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排 布的第三內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線并靠近所述中心加 載軸5設(shè)置。第七應(yīng)變片R7和第八應(yīng)變片R8分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第四內(nèi)圈 應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線并靠近中心加載軸5設(shè)置。
[0042] 如圖4所示，第三應(yīng)變片組用于測量空間z方向的力，包括第九應(yīng)變片R9、第十應(yīng) 變片R10、第i^一應(yīng)變片R11、第十二應(yīng)變片R12。第九應(yīng)變片R9和第十應(yīng)變片R10分別對 稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第一內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿Y軸軸 線設(shè)置。第十一應(yīng)變片R11和第十二應(yīng)變片R12分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第二內(nèi) 圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿Y軸軸線設(shè)置。
[0043] 第四應(yīng)變片組用于測量空間z方向的力矩，包括第十三應(yīng)變片R13、第十四應(yīng)變片 R14、第十五應(yīng)變片R15、第十六應(yīng)變片R16。第十三應(yīng)變片R13和第十四應(yīng)變片R14分別對 稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第三內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸 軸線并稍遠離所述中心加載軸5設(shè)置。第十五應(yīng)變片R15和第十六應(yīng)變片R16分別對稱設(shè) 置在沿X軸方向排布的第四內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個面上，同時沿X軸軸線并 稍遠離所述中心加載軸5設(shè)置。
[0044] 第五應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力矩，包括第十七應(yīng)變片R17、第十八應(yīng)變片 R18、第十九應(yīng)變片R19、第二十應(yīng)變片R20。第十七應(yīng)變片R17和第十八應(yīng)變片R18分別對 稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第一外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿Y軸軸 線設(shè)置。第十九應(yīng)變片R19和第二十應(yīng)變片R20分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第二外 圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿Y軸軸線設(shè)置。
[0045] 如圖5所示，第六應(yīng)變片組用于測量空間y方向力矩，包括第二^^一應(yīng)變片R21、第 二十二應(yīng)變片R22、第二十三應(yīng)變片R23、第二十四應(yīng)變片R24。第二i^一應(yīng)變片R21和第 二十二應(yīng)變片R22分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第三外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面 的兩個面上，同時沿X軸軸線設(shè)置。第二十三應(yīng)變片R23和第二十四應(yīng)變片R24分別對稱 設(shè)置在沿X軸方向排布的第四外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿X軸軸線 設(shè)置。
[0046] 上述6組應(yīng)變片組中，每組應(yīng)變片組中的四個應(yīng)變片與中心加載軸5的軸線等距 設(shè)置。
[0047] 現(xiàn)有的十字梁式彈性體通常包括應(yīng)力主梁和浮動梁。在應(yīng)力主梁上貼應(yīng)變片，浮 動梁則是隔離應(yīng)變的薄板結(jié)構(gòu)。主梁與浮動梁相接，在受力時，浮動梁的浮動效果使得主梁 發(fā)生某方向的移動，產(chǎn)生形變，從而可以測出力或力矩值。然而，浮動梁帶來的一個副作用 是，彈性體在受力時除了在主方向有移動，在其他方向上也產(chǎn)生一定移動，也就是說，浮動 梁在一定程度上引起了維間串擾。本發(fā)明的傳感器一方面去除了浮動梁，利用內(nèi)圓環(huán)壁限 制應(yīng)力梁只在需要的方向發(fā)生形變，另一方面把測量力和力矩的應(yīng)力梁分開設(shè)置，可以減 小維間耦合。
[0048] 如圖6至圖9所示為利用有限元分析軟件ANSYS對本發(fā)明進行的仿真結(jié)果。ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛 應(yīng)用于土木、地質(zhì)、材料、機械等工程的分析和科學研究。此處采用ANSYS15. 0軟件對本發(fā) 明的彈性體進行結(jié)構(gòu)靜力分析，根據(jù)彈性體的形變情況分析其維間耦合情況。如圖6所示， 當傳感器受到X方向的力時，內(nèi)圓環(huán)壁發(fā)生了一定的變形，起到浮動梁的作用，從而Y方向 的內(nèi)圈應(yīng)力梁發(fā)生形變。此時，由于內(nèi)圓環(huán)壁的隔離作用，Y方向的外圈應(yīng)力梁形變很小。 Y方向的應(yīng)力梁上貼覆的是測量X方向力矩的應(yīng)變片，也就是說X方向的力對X方向力矩的 耦合很小。傳感器受Y方向的力時，只需要把傳感器旋轉(zhuǎn)90°，分析方法和應(yīng)力結(jié)果完全一 樣。
[0049] 如圖7所示，當傳感器受到Z方向的力時，四根內(nèi)圈應(yīng)力梁都發(fā)生了形變，而由于 內(nèi)圓環(huán)壁的隔離作用，四根外圈應(yīng)力梁形變?nèi)匀缓苄?，也就是說，Z方向的力對X和Y方向 的力矩耦合很小。
[0050] 如圖8所示，當傳感器受到Y(jié)方向的力矩時，整個內(nèi)圓環(huán)壁和內(nèi)圈應(yīng)力梁都發(fā)生了 傾斜，造成外圈應(yīng)力梁發(fā)生較大幅度的變形，使得外圈應(yīng)力梁上的應(yīng)變片可以有效地測出 力矩值。由于X方向的兩根內(nèi)圈應(yīng)力梁的形變方向恰好相反，因此，Y方向的力矩引起的X 方向的力的耦合很小。傳感器受X方向的力矩時，只需要把傳感器旋轉(zhuǎn)90°，分析方法和應(yīng) 力結(jié)果完全一樣。
[0051] 如圖9所示，當傳感器受到Z方向的力矩時，內(nèi)圈應(yīng)力梁由于寬度較窄，發(fā)生了明 顯的變形，且變形最大的位置相比X或Y方向受力的情況而言，更加遠離中心加載軸。而外 圈應(yīng)力梁由于寬度較寬，變形非常微小。因此，Z方向的力矩對其他方向的力或力矩耦合都 較小。
[0052] 綜上所述，本發(fā)明的傳感器具有維間耦合小的優(yōu)點。
[0053] 圖10和圖11演示了一種可選的傳感器裝配方案。裝配體中，有底座、本發(fā)明的傳 感器和頂蓋。其中，底座上有四個卡座，每個卡座由兩個弧形的凸臺構(gòu)成。凸臺之間的間隙 恰好可以容納傳感器的外圓環(huán)壁。四個卡座可以將外圓環(huán)壁固定，橫穿卡座的通孔和外圓 環(huán)壁的通孔是尺寸配合的，利用連接裝置可以將傳感器固定在底座上，形成對傳感器的約 束。這種裝配方案不僅方便、牢固，而且有利于加工。頂蓋與底座配合連接，中心加載軸從 頂蓋上的通孔伸出，用于應(yīng)用時和外部機械結(jié)構(gòu)的連接。從而，傳感器可以很方便地組裝成 一個整體模塊，方便裝配和使用。
[0054] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，其特征在于，該傳感器包括彈 性體結(jié)構(gòu)和六組應(yīng)變片組； 所述彈性體結(jié)構(gòu)包括外圓環(huán)壁（1)、內(nèi)圓環(huán)壁（2)、四根結(jié)構(gòu)相同的外圈應(yīng)力梁（3)、四 根結(jié)構(gòu)相同的內(nèi)圈應(yīng)力梁（4)以及一個中心加載軸（5);以外圓環(huán)壁（1)的幾何中心為原 點〇,定義一個XYZ三維直角坐標系，所述外圓環(huán)壁（1)、內(nèi)圓環(huán)壁（2)、外圈應(yīng)力梁（3)、內(nèi) 圈應(yīng)力梁（4)的中心橫截面均位于Χ0Υ平面上，所述中心加載軸（5)的中軸線位于Z軸上， 外圓環(huán)壁（1)、內(nèi)圓環(huán)壁（2)和中心加載軸（5)同軸設(shè)置，外圓環(huán)壁（1)的高度高于內(nèi)圓環(huán) 壁（2);所述四個外圈應(yīng)力梁（3)以原點0為中心，均勻布置在外圓環(huán)壁（1)和內(nèi)圓環(huán)壁 ⑵之間，且外圈應(yīng)力梁⑶兩端分別與外圓環(huán)壁⑴和內(nèi)圓環(huán)壁⑵固定；所述四個內(nèi)圈 應(yīng)力梁⑷以原點〇為中心，均勻布置在內(nèi)圓環(huán)壁⑵和中心加載軸（5)之間，且內(nèi)圈應(yīng)力 梁（4)兩端分別與內(nèi)圓環(huán)壁（2)和中心加載軸（5)固定；所述外圈應(yīng)力梁（3)位于X軸或 Y軸上，所述內(nèi)圈應(yīng)力梁（4)位于X軸或Y軸上； 所述六組應(yīng)變片組粘貼在四根外圈應(yīng)力梁（3)和四根內(nèi)圈應(yīng)力梁（4)上，每組應(yīng)變片 組構(gòu)成一個惠斯通電橋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，其特征在 于，所述彈性體結(jié)構(gòu)中，所述四根外圈應(yīng)力梁（3)為薄片結(jié)構(gòu)并分別沿X軸和Y軸設(shè)置；沿 X軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁與YZ坐標平面平行的截面為矩形，且沿Y軸方向長度大于沿Z 軸方向的高度；沿Y軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁與XZ坐標平面平行的截面為矩形，且沿X軸 方向長度大于沿Z軸方向的高度；所述四根內(nèi)圈應(yīng)力梁（4)分別沿X軸和Y軸設(shè)置；沿X軸 方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁與YZ坐標平面平行的截面為正方形，沿Y軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁 與XZ坐標平面平行的截面為正方形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，其特征在 于，所述沿X軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁的沿Z軸方向的高度低于沿X軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng) 力梁沿Z軸方向的高度，并且沿Y軸方向的長度大于內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Y軸方向的長度；所述沿 Y軸方向設(shè)置的外圈應(yīng)力梁的沿Z軸方向的高度低于沿Y軸方向設(shè)置的內(nèi)圈應(yīng)力梁沿Z軸 方向的高度，并且沿X軸方向的長度大于內(nèi)圈應(yīng)力梁沿X軸方向的長度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的低維間耦合的雙十字梁型六維力和力矩傳感器，其 特征在于，所述第一應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力，包括第一應(yīng)變片（R1)、第二應(yīng)變片 (R2)、第三應(yīng)變片（R3)、第四應(yīng)變片（R4);所述第一應(yīng)變片（R1)和第二應(yīng)變片（R2)分別對 稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第一內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行YZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿Y軸 軸線并靠近所述中心加載軸（5)設(shè)置；所述第三應(yīng)變片（R3)和第四應(yīng)變片（R4)分別對稱 設(shè)置在沿Y軸方向排布的第二內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行YZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿Y軸軸 線并靠近所述中心加載軸（5)設(shè)置； 所述第二應(yīng)變片組用于測量空間y方向的力，包括第五應(yīng)變片（R5)、第六應(yīng)變片（R6)、 第七應(yīng)變片（R7)、第八應(yīng)變片（R8);所述第五應(yīng)變片（R5)和第六應(yīng)變片（R6)分別對稱設(shè) 置在沿X軸方向排布的第三內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線 并靠近所述中心加載軸（5)設(shè)置；所述第七應(yīng)變片（R7)和第八應(yīng)變片（R8)分別對稱設(shè)置 在沿X軸方向排布的第四內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個側(cè)面上，同時沿X軸軸線并 靠近所述中心加載軸（5)設(shè)置； 所述第三應(yīng)變片組用于測量空間Z方向的力，包括第九應(yīng)變片（R9)、第十應(yīng)變片 (R10)、第i^一應(yīng)變片（R11)、第十二應(yīng)變片（R12);所述第九應(yīng)變片（R9)和第十應(yīng)變片 (R10)分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第一內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上， 同時沿Y軸軸線設(shè)置；所述第十一應(yīng)變片（R11)和第十二應(yīng)變片（R12)分別對稱設(shè)置在沿 Y軸方向排布的第二內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿Y軸軸線設(shè)置； 所述第四應(yīng)變片組用于測量空間z方向的力矩，包括第十三應(yīng)變片（R13)、第十四應(yīng)變 片（R14)、第十五應(yīng)變片（R15)、第十六應(yīng)變片（R16);所述第十三應(yīng)變片（R13)和第十四應(yīng) 變片（R14)分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第三內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面的兩個 側(cè)面上，同時沿X軸軸線并稍遠離所述中心加載軸（5)設(shè)置；所述第十五應(yīng)變片（R15)和第 十六應(yīng)變片（R16)分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第四內(nèi)圈應(yīng)力梁中平行XZ坐標平面 的兩個面上，同時沿X軸軸線并稍遠離所述中心加載軸（5)設(shè)置； 所述第五應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力矩，包括第十七應(yīng)變片（R17)、第十八應(yīng)變 片（R18)、第十九應(yīng)變片（R19)、第二十應(yīng)變片（R20);所述第十七應(yīng)變片（R17)和第十八應(yīng) 變片（R18)分別對稱設(shè)置在沿Y軸方向排布的第一外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個 面上，同時沿Y軸軸線設(shè)置；所述第十九應(yīng)變片（R19)和第二十應(yīng)變片（R20)分別對稱設(shè) 置在沿Y軸方向排布的第二外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿Y軸軸線設(shè) 置； 所述第六應(yīng)變片組用于測量空間y方向力矩，包括第二十一應(yīng)變片（R21)、第二十二應(yīng) 變片（R22)、第二十三應(yīng)變片（R23)、第二十四應(yīng)變片（R24);第二i^一應(yīng)變片（R21)和第 二十二應(yīng)變片（R22)分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第三外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平 面的兩個面上，同時沿X軸軸線設(shè)置；所述第二十三應(yīng)變片（R23)和第二十四應(yīng)變片（R24) 分別對稱設(shè)置在沿X軸方向排布的第四外圈應(yīng)力梁中平行XY坐標平面的兩個面上，同時沿 X軸軸線設(shè)置； 每組應(yīng)變片組中的四個應(yīng)變片與中心加載軸（5)的軸線等距設(shè)置。
【文檔編號】G01L3/00GK104048791SQ201410287012
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】宋愛國, 陳丹鳳, 李昂, 李會軍, 宋光明 申請人:東南大學