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對(duì)偶正交六維力傳感器及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種對(duì)偶正交六維力傳感器及測(cè)量方法。它是一種新型的力解耦和各向同性機(jī)器人六維力傳感器。包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、彈性連桿和彈性梁。六個(gè)彈性連桿均分為三組，各組相互正交布置，彈性連桿兩端分別采用雙軸彈性鉸鏈，一端連接上平臺(tái)，一端通過彈性梁連接下平臺(tái)，組成T型結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，它應(yīng)變大，結(jié)構(gòu)簡單，解耦效果好，并且有效地解決了傳感器剛度與靈敏度之間的矛盾。
【專利說明】對(duì)偶正交六維力傳感器及測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種六維力傳感器及測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 六維力傳感器通常安裝在機(jī)器手的手腕部位，用于檢測(cè)機(jī)器手的受力信息，并將 這種信息反饋給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器手各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。彈性體作為感應(yīng)元件， 一定程度上決定了傳感器性能的優(yōu)劣，是六維力傳感器研究的核心問題之一。隨著工業(yè)機(jī) 器人領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)外已研制出多種形式的六維力傳感器，但均存在一些問題。例如：美 國DRAPER實(shí)驗(yàn)室研的Waston六維力傳感器，雖然具有承載能力強(qiáng)，抗沖擊性能好、結(jié)構(gòu)簡 單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在靈敏度低，各方向力之間干擾大等缺點(diǎn)；德國Schott的雙環(huán)行六維力 傳感器，解決了各方向力間相互干擾大的難題，但因結(jié)構(gòu)的限制，其剛度與靈敏度的矛盾較 大，難以協(xié)調(diào)；比利時(shí)的Brussel和以色列的Kroll同時(shí)研制出的一種四垂直筋結(jié)構(gòu)六維 力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，維間耦合小，理論分析方便，但垂直方向靈敏度較低；1987年，日本的 Yoshikawa、Uchiyama及Bayo等人分析了 Maltese十字結(jié)構(gòu)六維腕力傳感器，此結(jié)構(gòu)是目 前應(yīng)用較多的一種，該傳感器設(shè)計(jì)方便，理論關(guān)系簡單且易于分析，維間耦合小，具有較高 的剛度，但由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，加工難度較大。國內(nèi)方面，黃心漢等人設(shè)計(jì)了一種非徑向三 梁中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的六維腕力傳感器，曾慶釗等研究了一種新型車輪六維力傳感器；袁哲俊 設(shè)計(jì)了一種八垂直筋結(jié)構(gòu)六維力傳感器，中科院合肥智能所和中國紡織大學(xué)先后開發(fā)了十 字結(jié)構(gòu)六維力傳感器等，但以上所述傳感器在結(jié)構(gòu)、靈敏度、維間偶合以及剛度方面存在一 些問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種對(duì)偶正交六維力傳感器及測(cè)量方法。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案： 一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于，包括上平臺(tái)，下平臺(tái)，六根彈性連桿。其中， 下平臺(tái)三個(gè)表面各設(shè)兩個(gè)彈性梁。六根彈性連桿的一端與分別對(duì)應(yīng)的彈性梁相連，另一端 均連接上平臺(tái)，形成T形結(jié)構(gòu)。
[0005] 根據(jù)前述的一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于，上平臺(tái)設(shè)置圓孔，用于連接 模型；下平臺(tái)的三個(gè)表面按0ΧΥΖ坐標(biāo)系相互垂直。
[0006] 根據(jù)前述的一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于，六根彈性連桿兩兩一組，分 別沿X、Y、Z軸方向布置。
[0007] 根據(jù)前述的一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于，每組兩根彈性連桿軸線所 組成的平面相互垂直。
[0008] 根據(jù)前述的一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于，每根彈性連桿兩端設(shè)置雙 軸彈性鉸鏈。
[0009] 根據(jù)前述的一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于，各彈性連桿的一端與相應(yīng) 彈性梁的中間部位相連。
[0010] 根據(jù)前述的一種對(duì)偶正交六維力傳感器的使用方法，其特征在于： 測(cè)量X和Mz分量時(shí)，通過粘貼于Υ0Ζ平面的彈性梁根部的應(yīng)變片組成測(cè)量電路； 測(cè)量Z和My分量時(shí)，通過粘貼于Χ0Υ平面的彈性梁根部的應(yīng)變片組成測(cè)量電路； 測(cè)量Y和Mx分量時(shí)，通過粘貼于Χ0Ζ平面的彈性梁根部的應(yīng)變片組成測(cè)量電路。
[0011] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、結(jié)構(gòu)簡單 傳感器由上平臺(tái)、下平臺(tái)通過彈性連桿連接成整體，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于貼片，且對(duì)稱 性較好，方便加工和微型化，降低了成本。
[0012] 2、應(yīng)變變形比大 彈性連桿與彈性梁的中部相連，在力或力矩的作用下，彈性梁成"S"變形，同時(shí)，彈性連 桿的彈性鉸鏈充分利用了材料拉壓強(qiáng)度大于彎曲強(qiáng)度的特點(diǎn)，使測(cè)量方向上的力遠(yuǎn)大于非 測(cè)量方向上的力，干擾減小，從而使測(cè)量方向力的應(yīng)變變形比更大。
[0013] 3、解耦 該傳感器三組彈性連桿相互垂直，大大降低了測(cè)量分量對(duì)其他分量的干擾，另外彈性 連桿設(shè)置雙軸彈性鉸，使彈性桿近似于二力桿，解耦能力更佳。
[0014] 4、應(yīng)變片數(shù)量少 本傳感器的X、Mz分量，Z和My分量、Y和Mx分量分別用4個(gè)應(yīng)變計(jì)，共計(jì)12片。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是一種對(duì)偶正交六維力傳感器結(jié)構(gòu)不意圖； 圖2是圖1的Z向視圖； 圖3是圖2的A向剖視圖； 圖4是圖2的B向剖視圖； 圖5是圖3的C向剖視圖； 圖6是傳感器六個(gè)分量的電橋圖； 圖中標(biāo)號(hào)名稱：1、法向工作梁1，2、法向連桿1，3、法向工作梁2,4、法向連桿2,5、橫向 工作梁1，6、橫向連桿1，7、橫向工作梁2,8、橫向連桿2,9、軸向連桿1，10、軸向工作梁1， 11、軸向工作梁2,12、軸向連桿2,13、上平臺(tái)，14、下平臺(tái)，15、16、17、18為貼于軸向工作梁 的應(yīng)變片，19、20、21、22為貼于法向工作梁的應(yīng)變片，23,24,25,26貼于橫向工作梁的應(yīng)變 片。
[0016] 圖6中U為供橋電壓，dVx為X分量輸出增量，dVy為Y分量輸出增量，dVz為Z分 量輸出增量，dVmx為Mx分量輸出增量，dVmy為My分量輸出增量，dVmz為Mz分量輸出增 量。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0018] 圖1所示為一種對(duì)偶正交六維力傳感三維示意圖。包括上平臺(tái)13,下平臺(tái)14,軸 向連桿9、12,法向連桿2、4,橫向連桿6、8。其中，連桿9、12分別與下平臺(tái)Υ0Ζ平面的彈性 梁1〇、11相連，連桿2、4分別與下平臺(tái)XOZ平面的彈性梁1、3相連，連桿6、8分別與下平 臺(tái)X0Y平面的彈性梁5、7相連，分別形成T形結(jié)構(gòu)。六根彈性連桿的另一端均連接上平臺(tái) (13)。
[0019] 該傳感器工作中，由于三組彈性連桿相互正交，測(cè)量某一分量力時(shí)，該組彈性連桿 受力遠(yuǎn)大于其余彈性連桿，抗干擾能力強(qiáng)。
[0020] 圖2為傳感器結(jié)構(gòu)主視圖，圖3、4、5為剖視圖，圖6為六個(gè)分量應(yīng)變片的電橋圖。 其中圖3為Y和Mx分量貼片示意圖，應(yīng)變片15、16、18、17組成Y分量測(cè)量電路，應(yīng)變片15、 16、17、18組成Mx分量測(cè)量電路。
[0021] 圖4為X和Mz分量貼片示意圖，應(yīng)變片19、20、22、21組成X分量測(cè)量電路，應(yīng)變 片19、20、21、22組成Mz分量測(cè)量電路。
[0022] 圖5為Z和My分量貼片示意圖，應(yīng)變片23、24、26、25組成Z分量測(cè)量電路，應(yīng)變 片23、24、25、26組成My分量測(cè)量電路。
[0023] 該對(duì)偶正交六維力傳感器充分利用機(jī)械分解和電分解，解耦效果顯著。另外它還 具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變變形比大等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于機(jī)械人、采礦業(yè)、風(fēng)洞測(cè)力、汽車檢測(cè)、電 梯纜繩張力測(cè)量等領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1. 一種對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于包括： 一個(gè)上平臺(tái)（13)、一個(gè)下平臺(tái)（14)、兩根橫向連桿（6,8)、兩根軸向連桿（9,12)、兩根 法向連桿（2,4); 其中下平臺(tái)（14)由XOY平面、YOZ平面、ZOX平面組成半封閉腔結(jié)構(gòu)，上平臺(tái)（13)呈立 方體，上平臺(tái)（13)位于下平臺(tái)（14)的半封閉腔結(jié)構(gòu)中； 其中下平臺(tái)（14)的XOY平面內(nèi)沿Y方向開有相互平行的四條溝槽，形成相互平行的三 根橫向梁，將其中外側(cè)的兩根橫向梁稱為橫向工作梁（5，7 );上述兩根橫向連桿（6，8 )分別 連接于兩根橫向工作梁（5，7)中間部位與上平臺(tái)（13)之間，橫向連桿（6，8)與Z軸平行； 其中下平臺(tái)（14)的YOZ平面內(nèi)沿Z方向開有相互平行的四條溝槽，形成相互平行的三 根軸向梁，將其中外側(cè)的兩根軸向梁稱為軸向工作梁（10,11);上述兩根軸向連桿（9,12)分 別連接于兩根軸向工作梁（10,11)中間部位與上平臺(tái)（13)之間，軸向連桿（9,12)與X軸平 行； 其中下平臺(tái)（14)的ZOX平面內(nèi)沿X方向開有相互平行的四條溝槽，形成相互平行的三 根法向梁，將其中外側(cè)的兩根法向梁稱為法向工作梁（1，3);上述兩根法向連桿（2,4)分別 連接于兩根法向工作梁（1，3)中間部位與上平臺(tái)（13)之間，法向連桿（2,4)與Y軸平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于： 上平臺(tái)（13)設(shè)置有用于連接模型的定位孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)偶正交六維力傳感器，其特征在于： 所述橫向連桿（6，8 )、軸向連桿（9，12 )、法向連桿（2，4 )兩端均設(shè)置有雙軸彈性鉸。
4. 利用權(quán)利要求1所述的對(duì)偶正交六維力傳感器的測(cè)量方法，其特征在于： 測(cè)量X和Mz分量時(shí)，通過粘貼于兩根軸向工作梁（10,11)的根部的共四片應(yīng)變片（15， 16,17,18)組成測(cè)量電路； 測(cè)量Y和Mx分量時(shí)，通過粘貼于法向工作梁（1，3)兩端根部的四片應(yīng)變片（19, 20, 21， 22)組成測(cè)量電路； 測(cè)量Z和My分量時(shí)，通過粘貼于橫向工作梁（5, 7)兩端根部的四片應(yīng)變片（23, 24, 25， 26)組成測(cè)量電路。
【文檔編號(hào)】G01L5/16GK104048790SQ201410248504
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】姚裕, 呂常魁, 吳洪濤 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)