本發(fā)明屬于傳感器技術領域，尤其涉及一種具有彈性體結構的六維力傳感器。

背景技術：

六維力傳感器測量的是笛卡爾坐標系三維空間的三維正交力(fx,fy,fz)和三維正交力矩(mx,my,mz)，由于其測力信息豐富、測量精度高等特點，主要應用在力及力-位控制場合，如機器人末端執(zhí)行器，汽車行駛過程輪力檢測，輪廓跟蹤，精密裝配，雙手協(xié)調等，尤其在航空機器人，宇宙空間站對接仿真等場合發(fā)揮了極其重要的作用。

十字梁型結構是目前六維力傳感器采用最多的一種形式，而電阻應變式測力原理是目前六維力傳感器中應用最多的一種。專利cn103528746a中公開了一種十字梁式六維力傳感器彈性體，它由四個內梁、四個外梁和四個過載保護梁等組成，可以提高靈敏度，減小維間耦合，但是結構相對復雜。專利cn205333238u中公開了一種結構緊湊的應變式六維力傳感器，它包括底座彈性體、十字梁彈性體等，底座彈性體具有一腔體，十字梁彈性體設于腔體內，整體結構較為緊湊。

國際上對多維力/力矩傳感器的研究熱點多在檢測原理、方法創(chuàng)新和新型彈性體結構設計等方面。而多維力/力矩傳感器特有的維間耦合成為多維力/力矩傳感器存在的主要問題，制約著測量精度，從而直接影響后續(xù)的力反饋與力控制性能。

技術實現要素：

發(fā)明目的：為了減小六維力傳感器的測量誤差，本發(fā)明提供一種具有彈性體結構的六維力傳感器。

技術方案：一種具有彈性體結構的六維力傳感器，包括水平彈性梁、中心垂直彈性梁、加載軸及外圈固定臺，所述水平彈性梁為十字形結構，水平彈性梁包括四個等長分支，所述中心垂直彈性梁的一端固定在水平彈性梁十字形結構的中心位置，且與十字形結構所在的面垂直，所述加載軸安裝在中心垂直彈性梁的另一端，所述外圈固定臺為套設在水平彈性梁外側的圓環(huán)狀部件，外圈固定臺包括內側面，水平彈性梁的四個分支的末端固定在外圈固定臺的內側面上，水平彈性梁的四個分支的末端均為s型結構，所述水平彈性梁和/或中心垂直彈性梁上還貼覆有應變片。

工作原理：當傳感器受到y(tǒng)方向作用力fy時，兩個x向彈性梁分支發(fā)生彎曲變形，兩個y向彈性梁分支發(fā)生拉壓形變且其變化量很小可忽略，此時其末端s型結構可看作柔性環(huán)節(jié)，fy可通過粘貼于x向彈性梁左、右側面的應變片組成的wheatstone全橋電路測得；當傳感器受到z方向作用力矩mz時，兩個x向彈性梁分支發(fā)生彎曲變形，且兩個x向彈性梁分支的左、右側面的相同位置處產生的形變大小相等、方向相反，mz即可通過粘貼于x向彈性梁左右側面的應變片組成的wheatstone全橋電路測得。

當傳感器受到z方向作用力fz時，兩個y向彈性梁分支發(fā)生彎曲變形，且兩個y向彈性梁分支的上、下表面的相同位置處產生的形變大小相等、方向相反，fz可通過粘貼于兩個y向彈性梁分支上、下表面的應變片組成的全橋電路測得；當傳感器受到x方向力矩mx時，兩個y向彈性梁分支發(fā)生彎曲變形，兩個x向彈性梁分支發(fā)生扭轉變形，且變形量很小可以忽略，mx可通過粘貼于兩個y向彈性梁分支上下表面的應變片組成的全橋電路測得。

當傳感器受到x方向作用力fx或y方向力矩my時，中心垂直彈性梁發(fā)生較大彎曲變形，且中心垂直彈性梁的前、后側面的相同位置處產生的應變大小相等、方向相反，fx和my均可通過粘貼于中心垂直彈性梁前、后側面的應變片組成的橋路測得。

有益效果：本發(fā)明提供的一種具有彈性體結構的六維力傳感器，水平彈性梁分支的末端設計為s型結構，使其在受到相應方向的作用力時作為柔性環(huán)節(jié)；相比較現有的十字梁型六維力傳感器，多了一個中心垂直彈性梁，用以感受x方向的作用力fx和y方向的轉矩my；除了在四個水平彈性梁分支上粘貼應變片外，在中心垂直彈性梁朝向y向彈性梁分支的兩個側面也貼覆有兩對應變片，減小了測量誤差；現有的十字梁型六維力傳感器在三個及三個以上方向間存在耦合(如fy,mz,fx之間，fz,mx,my之間)，而本專利具有彈性體結構的六維力傳感器只在兩個方向間存在耦合(如fy,mz之間，fz,mx之間，fx,my之間)，減小維間耦合，從而簡化了解耦算法，提高測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的具有彈性體結構的六維力傳感器整體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，為方便描述方向，建立一個如圖所示的空間笛卡爾坐標系。

如圖1所示，具有彈性體結構的六維力傳感器包括水平彈性梁1、中心垂直彈性梁2、加載軸3及外圈固定臺4，所述水平彈性梁1為十字形結構，水平彈性梁1包括四個等長分支，所述中心垂直彈性梁2的一端固定在水平彈性梁1十字形結構的中心位置，且與十字形結構所在的面垂直，所述加載軸3安裝在中心垂直彈性梁2的另一端，所述外圈固定臺4為套設在水平彈性梁1外側的圓環(huán)狀部件，外圈固定臺4包括內側面41，水平彈性梁1的四個分支的末端固定在外圈固定臺4的內側面41上，水平彈性梁1的四個分支的末端均為s型結構，所述水平彈性梁和/或中心垂直彈性梁上還貼覆有應變片。所述s型結構的厚度為1mm。水平彈性梁分支的末端設計為s型結構，使其在受到相應方向的作用力時作為柔性環(huán)節(jié)，即起到浮動梁的作用。相比現有的十字梁型六維力傳感器，本實施例多了一個中心垂直彈性梁2，用以感受x方向的作用力fx和y方向的轉矩my。

所述中心垂直彈性梁2和水平彈性梁1的四個分支均為橫截面是正方形的四棱柱。所述加載軸3為圓柱體結構。所述外圈固定臺4上設有8個上下通孔，用于固定傳感器。

所述水平彈性梁1的四個分支包括兩個x向彈性梁分支11和兩個y向彈性梁分支12，兩個x向彈性梁分支11在一條直線上，兩個y向彈性梁分支12在一條直線上，兩個x向彈性梁分支11上的s型結構的開口方向相同，兩個y向彈性梁分支12上的s型結構的開口方向相同且與x向彈性梁分支11上的s型結構的開口方向垂直。在本實施例中，所述x向彈性梁分支11末端的s型結構的開口方向為左右方向；所述y向彈性梁分支12末端的s型結構的開口方向為上下方向。

除此之外，本實施例對應變片的貼覆位置也有所設計。

所述兩個x向彈性梁分支11結構完全相同且在對稱的位置貼覆有相同的應變片；其中一個x向彈性梁分支11包括左側面111和右側面(圖中被遮擋，未示出)，左側面111的中心軸線上貼覆有第一應變片01和第二應變片02，右側面上與第一應變片01和第二應變片02對應的位置分別貼覆有第三應變片和第四應變片(圖中被遮擋，未示出)；另一個x向彈性梁分支11’上分別與第一應變片01、第二應變片02、第三應變片、第四應變片相對應的四個應變片記為第十三應變片013、第十四應變片014、第十五應變片、第十六應變片。

所述兩個y向彈性梁分支結構完全相同且在對稱的位置貼覆有相同的應變片；其中一個y向彈性梁分支12包括上表面121和下表面(圖中被遮擋，未示出)，上表面121的中心軸線上貼覆有第五應變片05和第六應變片06，下表面上與第五應變片05和第六應變片06對應的位置分別貼覆有第七應變片和第八應變片(圖中被遮擋，未示出)；另一個y向彈性梁分支12’上分別與第五應變片05、第六應變片06、第七應變片、第八應變片(圖中被遮擋，未示出)相對應的四個應變片記為第十七應變片017、第十八應變片018、第十九應變片、第二十應變片(圖中被遮擋，未示出)。

所述中心垂直彈性梁2包括前側面21、后側面(圖中被遮擋，未示出)、左側面22和右側面(圖中被遮擋，未示出)，前側面21與后側面分別朝向兩個x向彈性梁分支11，前側面21的中心軸線上貼覆有第九應變片09和第十應變片010，后側面上與第九應變片09和第十應變片010對應的位置分別貼覆有第十一應變片和第十二應變片(圖中被遮擋，未示出)。

所有的應變片均為相同的應變片。設第一應變片01到y(tǒng)向彈性梁分支12的距離為d1，設第五應變片05到中心垂直彈性梁2的距離為d2，設第九應變片09到x向彈性梁分支11的距離為d3，其中d1＝d2＝d3；設第二應變片02到y(tǒng)向彈性梁分支12的距離為d4，設第六應變片06到中心垂直彈性梁2的距離為d5，設第十應變片10到x向彈性梁分支11的距離為d6，其中d4＝d5＝d6；且第一應變片01到y(tǒng)向彈性梁分支12的距離與第二應變片02到y(tǒng)向彈性梁分支12的距離不相等，即d1≠d4。

這20個應變片一共組成了六組應變片組。每個應變片組通過電氣連接組成一個wheatstone全橋或半橋電路，用于測量空間一個維度的力或力矩。

第一應變片01、第三應變片、第十三應變片013和第十五應變片組成第一應變片組；第二應變片02、第四應變片、第十四應變片014和第十六應變片組成第二應變片組。當傳感器受到y(tǒng)方向的作用力或z方向的力矩時，x方向的水平彈性梁會產生較大形變，因此，第一、二應變片組組成的wheatstone電橋電路分別用于測量y方向的作用力fy和z方向的力矩mz的大小。

第五應變片05、第七應變片、第十七應變片017和第十九應變片組成第三應變片組；第六應變片06、第八應變片、第十八應變片018和第二十應變片組成第四應變片組。當傳感器受到z方向作用力或x方向的力矩時，y方向的水平彈性梁產生較大形變，因此，第三、四應變片組組成的wheatstone電橋電路分別用于測量z方向作用力fz和x方向的力矩mx的大小。

第九應變片09和背面的第十一應變片組成第五應變片組，第十應變片10和背面的第十二應變片組成第六應變片組。當傳感器受到x方向作用力或y方向力矩時，中心豎直彈性梁產生較大形變，因此，第五、六應變片組組成的wheatstone電橋電路分別用于測量x方向作用力fx和y方向力矩my的大小。

該結構除了在四個水平彈性梁分支的相應位置粘貼有應變片組外，在中心垂直彈性梁2朝向x向彈性梁分支的兩個側面也貼覆有兩對應變片，測量誤差相對較小。該傳感器結構在兩個方向間存在耦合(如fy,mz之間，fz,mx之間，fx,my之間)，可以使解耦算法簡單化，更加容易解耦。