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对偶正交六维力传感器及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种对偶正交六维力传感器及测量方法。它是一种新型的力解耦和各向同性机器人六维力传感器。包括上平台、下平台、弹性连杆和弹性梁。六个弹性连杆均分为三组，各组相互正交布置，弹性连杆两端分别采用双轴弹性铰链，一端连接上平台，一端通过弹性梁连接下平台，组成T型结构。与传统结构相比，它应变大，结构简单，解耦效果好，并且有效地解决了传感器刚度与灵敏度之间的矛盾。
【专利说明】对偶正交六维力传感器及测量方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于工业机器人领域，特别涉及一种六维力传感器及测量方法。

【背景技术】
[0002] 六维力传感器通常安装在机器手的手腕部位，用于检测机器手的受力信息，并将 这种信息反馈给控制系统，从而实现对机器手各种运动状态的控制。弹性体作为感应元件， 一定程度上决定了传感器性能的优劣，是六维力传感器研究的核心问题之一。随着工业机 器人领域的发展，国内外已研制出多种形式的六维力传感器，但均存在一些问题。例如：美 国DRAPER实验室研的Waston六维力传感器，虽然具有承载能力强，抗冲击性能好、结构简 单等优点，但也存在灵敏度低，各方向力之间干扰大等缺点；德国Schott的双环行六维力 传感器，解决了各方向力间相互干扰大的难题，但因结构的限制，其刚度与灵敏度的矛盾较 大，难以协调；比利时的Brussel和以色列的Kroll同时研制出的一种四垂直筋结构六维 力传感器结构简单，维间耦合小，理论分析方便，但垂直方向灵敏度较低；1987年，日本的 Yoshikawa、Uchiyama及Bayo等人分析了 Maltese十字结构六维腕力传感器，此结构是目 前应用较多的一种，该传感器设计方便，理论关系简单且易于分析，维间耦合小，具有较高 的刚度，但由于结构过于复杂，加工难度较大。国内方面，黄心汉等人设计了一种非径向三 梁中心对称结构的六维腕力传感器，曾庆钊等研究了一种新型车轮六维力传感器；袁哲俊 设计了一种八垂直筋结构六维力传感器，中科院合肥智能所和中国纺织大学先后开发了十 字结构六维力传感器等，但以上所述传感器在结构、灵敏度、维间偶合以及刚度方面存在一 些问题。


【发明内容】

[0003] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种对偶正交六维力传感器及测量方法。
[0004] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案： 一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，包括上平台，下平台，六根弹性连杆。其中， 下平台三个表面各设两个弹性梁。六根弹性连杆的一端与分别对应的弹性梁相连，另一端 均连接上平台，形成T形结构。
[0005] 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，上平台设置圆孔，用于连接 模型；下平台的三个表面按0ΧΥΖ坐标系相互垂直。
[0006] 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，六根弹性连杆两两一组，分 别沿X、Y、Z轴方向布置。
[0007] 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，每组两根弹性连杆轴线所 组成的平面相互垂直。
[0008] 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，每根弹性连杆两端设置双 轴弹性铰链。
[0009] 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，各弹性连杆的一端与相应 弹性梁的中间部位相连。
[0010] 根据前述的一种对偶正交六维力传感器的使用方法，其特征在于： 测量X和Mz分量时，通过粘贴于Υ0Ζ平面的弹性梁根部的应变片组成测量电路； 测量Z和My分量时，通过粘贴于Χ0Υ平面的弹性梁根部的应变片组成测量电路； 测量Y和Mx分量时，通过粘贴于Χ0Ζ平面的弹性梁根部的应变片组成测量电路。
[0011] 本发明具有如下优点： 1、结构简单 传感器由上平台、下平台通过弹性连杆连接成整体，结构简单、紧凑，易于贴片，且对称 性较好，方便加工和微型化，降低了成本。
[0012] 2、应变变形比大 弹性连杆与弹性梁的中部相连，在力或力矩的作用下，弹性梁成"S"变形，同时，弹性连 杆的弹性铰链充分利用了材料拉压强度大于弯曲强度的特点，使测量方向上的力远大于非 测量方向上的力，干扰减小，从而使测量方向力的应变变形比更大。
[0013] 3、解耦 该传感器三组弹性连杆相互垂直，大大降低了测量分量对其他分量的干扰，另外弹性 连杆设置双轴弹性铰，使弹性杆近似于二力杆，解耦能力更佳。
[0014] 4、应变片数量少 本传感器的X、Mz分量，Z和My分量、Y和Mx分量分别用4个应变计，共计12片。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是一种对偶正交六维力传感器结构不意图； 图2是图1的Z向视图； 图3是图2的A向剖视图； 图4是图2的B向剖视图； 图5是图3的C向剖视图； 图6是传感器六个分量的电桥图； 图中标号名称：1、法向工作梁1，2、法向连杆1，3、法向工作梁2,4、法向连杆2,5、横向 工作梁1，6、横向连杆1，7、横向工作梁2,8、横向连杆2,9、轴向连杆1，10、轴向工作梁1， 11、轴向工作梁2,12、轴向连杆2,13、上平台，14、下平台，15、16、17、18为贴于轴向工作梁 的应变片，19、20、21、22为贴于法向工作梁的应变片，23,24,25,26贴于横向工作梁的应变 片。
[0016] 图6中U为供桥电压，dVx为X分量输出增量，dVy为Y分量输出增量，dVz为Z分 量输出增量，dVmx为Mx分量输出增量，dVmy为My分量输出增量，dVmz为Mz分量输出增 量。

【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明做详细说明。
[0018] 图1所示为一种对偶正交六维力传感三维示意图。包括上平台13,下平台14,轴 向连杆9、12,法向连杆2、4,横向连杆6、8。其中，连杆9、12分别与下平台Υ0Ζ平面的弹性 梁1〇、11相连，连杆2、4分别与下平台XOZ平面的弹性梁1、3相连，连杆6、8分别与下平 台X0Y平面的弹性梁5、7相连，分别形成T形结构。六根弹性连杆的另一端均连接上平台 (13)。
[0019] 该传感器工作中，由于三组弹性连杆相互正交，测量某一分量力时，该组弹性连杆 受力远大于其余弹性连杆，抗干扰能力强。
[0020] 图2为传感器结构主视图，图3、4、5为剖视图，图6为六个分量应变片的电桥图。 其中图3为Y和Mx分量贴片示意图，应变片15、16、18、17组成Y分量测量电路，应变片15、 16、17、18组成Mx分量测量电路。
[0021] 图4为X和Mz分量贴片示意图，应变片19、20、22、21组成X分量测量电路，应变 片19、20、21、22组成Mz分量测量电路。
[0022] 图5为Z和My分量贴片示意图，应变片23、24、26、25组成Z分量测量电路，应变 片23、24、25、26组成My分量测量电路。
[0023] 该对偶正交六维力传感器充分利用机械分解和电分解，解耦效果显著。另外它还 具有结构简单、应变变形比大等优点，可广泛用于机械人、采矿业、风洞测力、汽车检测、电 梯缆绳张力测量等领域。
【权利要求】
1. 一种对偶正交六维力传感器，其特征在于包括： 一个上平台（13)、一个下平台（14)、两根横向连杆（6,8)、两根轴向连杆（9,12)、两根 法向连杆（2,4); 其中下平台（14)由XOY平面、YOZ平面、ZOX平面组成半封闭腔结构，上平台（13)呈立 方体，上平台（13)位于下平台（14)的半封闭腔结构中； 其中下平台（14)的XOY平面内沿Y方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三 根横向梁，将其中外侧的两根横向梁称为横向工作梁（5，7 );上述两根横向连杆（6，8 )分别 连接于两根横向工作梁（5，7)中间部位与上平台（13)之间，横向连杆（6，8)与Z轴平行； 其中下平台（14)的YOZ平面内沿Z方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三 根轴向梁，将其中外侧的两根轴向梁称为轴向工作梁（10,11);上述两根轴向连杆（9,12)分 别连接于两根轴向工作梁（10,11)中间部位与上平台（13)之间，轴向连杆（9,12)与X轴平 行； 其中下平台（14)的ZOX平面内沿X方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三 根法向梁，将其中外侧的两根法向梁称为法向工作梁（1，3);上述两根法向连杆（2,4)分别 连接于两根法向工作梁（1，3)中间部位与上平台（13)之间，法向连杆（2,4)与Y轴平行。
2. 根据权利要求1所述的对偶正交六维力传感器，其特征在于： 上平台（13)设置有用于连接模型的定位孔。
3. 根据权利要求1所述的对偶正交六维力传感器，其特征在于： 所述横向连杆（6，8 )、轴向连杆（9，12 )、法向连杆（2，4 )两端均设置有双轴弹性铰。
4. 利用权利要求1所述的对偶正交六维力传感器的测量方法，其特征在于： 测量X和Mz分量时，通过粘贴于两根轴向工作梁（10,11)的根部的共四片应变片（15， 16,17,18)组成测量电路； 测量Y和Mx分量时，通过粘贴于法向工作梁（1，3)两端根部的四片应变片（19, 20, 21， 22)组成测量电路； 测量Z和My分量时，通过粘贴于横向工作梁（5, 7)两端根部的四片应变片（23, 24, 25， 26)组成测量电路。
【文档编号】G01L5/16GK104048790SQ201410248504
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】姚裕, 吕常魁, 吴洪涛 申请人:南京航空航天大学