专利名称：基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力传感器，更特别地说，是指一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器。
背景技术：
在纳米压印工艺过程中，如果采用不同的压印工艺(热压印和紫外压印)，其压印力的范围不同。要实现对压印过程中压印力的实时监测，就必须存在一种能够满足不同范围压印力及不同分辨率要求的力传感器。在扫描探针显微镜中，当探针扫描具有不同硬度的表面时，就需要探头具有可变的刚度及分辨率。现有的力传感器大多是基于应变片的测量方式，将应变片贴在被测物体的表面， 当应变片产生微小变形时，通过惠斯顿电桥将变形信号转换为电压信号，再通过AD转换器将模拟电压信号转换为便于计算机处理的数字信号。其他一些力传感器，如压电式力传感器、压阻式力传感器、电容型力传感器及光学力传感器。压电式力传感器是通过压电材料在外力作用下，会产生一个电压信号的原理来对力进行测量，但这种力传感器的缺点在于随着外力的增加，压电单元输出的电信号将快速的衰减；压阻式力传感器是通过压阻材料在外力作用下，其电阻会发生显著的改变的原理来测量外力，这种力传感器受环境噪声，如温度等的影响很大；电容型力传感器利用在外力作用下，电容上下两块金属板之间位移发生改变，从而引起电容大小的改变的原理来测量外力，这种形式的力传感器目前已被广泛应用于微机电(MEMQ领域，用于制造高精度的微力传感器；光学力传感器通过光学设备来检测悬臂梁在外力作用下的变形，并将光学信号转换为电压信号的原理来测量外力，例如原子力显微镜(AFM)就是利用这样的原理来工作的。综观现有力传感器，每种形式的力传感器都有其优缺点，特定场合下需要采用特定形式的传感器。但现有力传感器仍存在如下几点不足(1)现有力传感器无法实现两级甚至多级力分辨率，其测量范围受到分辨率的限制。在有多级力分辨率要求的情况下将无法满足测量要求；( 现有力传感器的输出信号都是一个微弱的模拟信号，受环境噪声的影响很大；(3)现有力传感器的精度和分辨率受限于力的测量范围。也就是说，当传感器的精度和分辨率提高时，传感器的测量范围就会降低，反之亦然。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器采用两组柔性Roberts机构进行搭接，利用基板上自身板簧的变形机理实现力的测量；另一方面，采用电涡流位移传感器来测量运动部件的位移，而不是Roberts机构上板簧自身的变形，从而减小了外界噪声信号的干扰，提高了力传感器的测量精度。本发明是一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器包括有敏感体(1)、支架O)、位移检测件(3)、电涡流位移传感器(4)和探头(5)；敏感体(1)采用电火花线切割技术一方面切割有A柔性罗伯茨机构(IA)、B柔性罗伯茨机构(IB)、C柔性罗伯茨机构(IC)、D柔性罗伯茨机构(ID)、E柔性罗伯茨机构(IE)、 F柔性罗伯茨机构(IF)、G柔性罗伯茨机构(IG)、H柔性罗伯茨机构(IH)；敏感体(1)采用电火花线切割技术另一方面切割有第一切割槽(151)、第二切割槽(152)、第三切割槽(153)、第四切割槽(154)、第五切割槽(161)、第六切割槽(162)、第七切割槽(163)、第八切割槽(164)；第一切割槽(151)的一端与第二切割槽(152)的另一端之间是H缺口形柔性铰链(IP)；第二切割槽(152)的一端与第三切割槽(153)的另一端之间是E缺口形柔性铰链(IM)；第三切割槽(153)的一端与第四切割槽(154)的另一端之间是A缺口形柔性铰链(II)；第四切割槽(154)的一端与第一切割槽(151)的另一端之间是D缺口形柔性铰链(IL)；第五切割槽(161)的一端与第六切割槽(162)的另一端之间是G缺口形柔性铰链(10)；第六切割槽(162)的一端与第七切割槽(163)的另一端之间是F缺口形柔性铰链(IN)；第七切割槽(163)的一端与第八切割槽(164)的另一端之间是B缺口形柔性铰链(IJ)；第八切割槽(164)的一端与第五切割槽(161)的另一端之间是C缺口形柔性铰链 (IK)；所述切割槽将敏感体(1)分割成第一平台(12)、第二平台(13)和第三平台(14)；第一平台(12)上安装有位移检测件(3)；第三平台(14)上安装有支架O)；第一切割槽(15)上设有第一限位凸起(15A)、第二限位凸起(15B)、第三限位凸起(15C)和第四限位凸起(15D)；第一限位凸起(15A)、第二限位凸起(15B)与第一调节钉 (6)、第二调节钉(7)构成一组用于测量拉力时进行调节；第三限位凸起(15C)、第四限位凸起(15D)与第三调节钉(8)、第四调节钉(9)构成另一组用于测量压力时进行调节；敏感体(1)的A板面(IlA)上设有A通孔(101)、A螺纹孔(102)、B螺纹孔(103)； A通孔(101)用于探头(5)穿过；A螺纹孔(102)用于安装第一调节钉(6) ；B螺纹孔(103) 用于安装第二调节钉(7)；敏感体(1)的B板面(IlB)上设有C螺纹孔(104)、D螺纹孔(105) ；C螺纹孔(104) 用于安装第三调节钉(8) ；D螺纹孔(105)用于安装第四调节钉(9)；A柔性罗伯茨机构(IA)通过A缺口形柔性铰链(II)与第二平台(13)连接；B柔性罗伯茨机构(IB)通过B缺口形柔性铰链(IJ)与第一平台(12)连接；C柔性罗伯茨机构 (IC)通过C缺口形柔性铰链(IK)与第一平台(12)连接；D柔性罗伯茨机构(ID)通过D缺口形柔性铰链(IL)与第二平台(1 连接；E柔性罗伯茨机构(IE)通过E缺口形柔性铰链 (IM)与第二平台(13)连接；F柔性罗伯茨机构(IF)通过F缺口形柔性铰链(IN)与第一平台(12)连接；G柔性罗伯茨机构(IG)通过G缺口形柔性铰链(10)与第一平台(12)连接； H柔性罗伯茨机构(IH)通过H缺口形柔性铰链(IP)与第二平台(13)连接；支架O)的立板0 上设有中心通孔(23)，该中心通孔的上方设有缝隙 (M)，该缝隙04)将立板02)的上端分为A支臂05)和B支臂06)，A支臂Q5)上设有通孔，B支臂(26)上设有C通孔(27)；中心通孔用于放置电涡流位移传感器；电涡流位移传感器(4)在支架 (2)上的夹紧安装通过A螺钉m穿过B支臂06)上的C通孔Q7)、A支臂05)上的通孔后连接上螺母OB)实现；支架O)的底座上的两个通孔与敏感体(1)上的E螺纹孔(106)和F螺纹孔(107)保持同轴，且通过B螺钉(106A)与E螺纹孔(106)的配合、以及C螺钉(107A)与 F螺纹孔(107)的配合，从而实现将支架O)固定安装在第三平台(14)上；位移检测件(3)安装在第一平台(12)上，即通过D螺钉(108A)与G螺纹孔(108) 配合、以及E螺钉(109A)与H螺纹孔(109)配合，实现将位移检测件(；3)安装在第一平台 (12)上；位移检测件(3)的检测板(31)与电涡流位移传感器⑷相对，且电涡流位移传感器⑷的敏感端与位移检测件(3)的检测板(31)存在有间距d，d = 1. 3 1. 5mm ；电涡流位移传感器(4)安装在支架( 上，电涡流位移传感器(4)的敏感端与位移检测件⑶的检测板(31)存在有间距d，d = 1. 3 1. 5mm ；探头(5)的一端为圆锥头(51)，探头(5)的另一端为螺纹接头(52)；探头(5)的螺纹接头(52)顺次穿过敏感体(1)的A通孔(101)、B通孔(110)后螺纹连接在J螺纹孔 (111)内。本发明基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器的优点在于①在敏感元器件(敏感体1)上采用电火花线切割的方式加工而成。利用两组柔性Roberts机构搭接，两组柔性Roberts机构对称布置保证了中间平台的高精度直线运动， 即减小了机构的寄生误差。同时，该敏感元器件(敏感体1)为一个零件，不需要进行装配， 从而有效地避免了传统力传感器由装配带来的摩擦、间隙等问题。②在敏感元器件(敏感体1)的上采用8个柔性Roberts机构(每4个柔性Roberts 机构构成一组)的对称设置构形得到第一平台和第二平台运动机构。③在敏感元器件(敏感体1)上装有4个调节螺钉，通过调节螺钉的调节，可以改变限位凸起与第二平台13的间距，从而改变两级力分辨率中第一级力分辨的有效作用范围，满足具有不同测量范围的要求。④在敏感元器件(敏感体1)上，8个柔性Roberts机构分别通过8个缺口形的断臂柔铰与运动平台相连，有效地避免了机构在运动过程中发生应力集中的问题。⑤采用电涡流位移传感器作为被测力的测量设备，通过检测敏感元器件(敏感体 1)上运动单元的位移，而不是Roberts机构上板簧自身的变形来测量被测力的大小，从而极大地减小了外界噪声信号的干扰，提高了力传感器的测量精度。⑥电涡流位移传感器采用抱紧机构固定，可以方便地调节位移传感器探头与检测板的距离，从而极大地方便了标定和测量工作。⑦本发明设计的两级力分辨率传感器的器件少、结构简单，测量精度高。
图1是本发明基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器的结构图。图IA是本发明基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器的另一视角结构图。图IB是本发明基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器的正视图。图2是本发明敏感体的结构图。图2A是本发明敏感体的另一视角结构图。
图2B是本发明敏感体的俯视图。图2C是图2B的A-A剖视图。图3是本发明支架的结构图。图4是本发明探头的结构图。图5是本发明基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器的受力原理图。图中 1.敏感体 11A.A板面11B.B板面101.A通孔102.A 螺纹孔 103. B螺纹孔 104. C螺纹孔 105. D螺纹孔 106. E螺纹孔106A. B螺钉 107. F螺纹孔 107A. C螺钉 108. G螺纹孔 108A. D螺钉109. H螺纹孔 109A. E 螺钉 110. B通孔 111. J螺纹孔 12.第一平台13.第二平台14.第三平台 151.第一切割槽152.第二切割槽153.第三切割槽154.第四切割槽 15A. 第一限位凸起 15B.第二限位凸起15C.第三限位凸起 15D.第四限位凸起 161.第五切割槽162.第六切割槽 163.第七切割槽 164.第八切割槽 ΙΑ. A柔性罗伯茨机构 IB. B柔性罗伯茨机构 1C. C柔性罗伯茨机构ID. D柔性罗伯茨机构 IE. E柔性罗伯茨机构 IF. F柔性罗伯茨机构1G. G柔性罗伯茨机构 1H. H柔性罗伯茨机构II. A缺口形柔性铰链 1J.B缺口形柔性铰链 1K.C缺口形柔性铰链1L. D缺口形柔性铰链 1M. E缺口形柔性铰链 IN. F缺口形柔性铰链10. G缺口形柔性铰链 IP. H缺口形柔性铰链 2.支架 21.底座22.立板 23.中心通孔 24.缝隙 25. A支臂 26. B支臂27. C通孔 2A. A螺钉 2B.螺母 3.位移检测件 31.检测板4.电涡流位移传感器 5.探头 51.圆锥头 52.螺纹接头6.第一调节钉7.第二调节钉8.第三调节钉9.第四调节钉
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1、图1A、图IB所示，本发明是一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器包括有敏感体1、支架2、位移检测件3、电涡流位移传感器4和探头 5。支架2安装在敏感体1的第三平台14上，即通过B螺钉106A与E螺纹孔106的配合、以及C螺钉107A与F螺纹孔107的配合实现将支架2固定安装在敏感体1的第三平台14的一侧上。位移检测件3安装在敏感体1的第一平台12上，即通过D螺钉108A与G螺纹孔 108的配合、以及E螺钉109A与H螺纹孔109的配合实现将位移检测件3固定安装在敏感体1的第一平台12上。电涡流位移传感器4安装在支架2上。参见图2C所示，探头5穿过敏感体1上的A通孔101、B通孔110后通过螺纹连接在第一平台12的J螺纹孔111上。( 一 )敏感体 1参见图1、图1A、图1B、图2、图2A、图2B、图2C所示，敏感体1采用电火花线切割技术加工制得。根据设计要求的Roberts (译文罗伯茨)构型在金属基体11上切割出八个柔性罗伯茨机构，即A柔性罗伯茨机构1A、B柔性罗伯茨机构IB、C柔性罗伯茨机构1C、 D柔性罗伯茨机构1D、E柔性罗伯茨机构1E、F柔性罗伯茨机构1F、G柔性罗伯茨机构1G、H 柔性罗伯茨机构1H。参见图2、图2B所示，在敏感体1上采用电火花线切割技术切割的间隙包括有第一切割槽151、第二切割槽152、第三切割槽153、第四切割槽154、第五切割槽161、第六切割槽 162、第七切割槽163、第八切割槽164 ；第一切割槽151的一端与第二切割槽152的另一端之间是H缺口形柔性铰链IP ；第二切割槽152的一端与第三切割槽153的另一端之间是E缺口形柔性铰链IM ；第三切割槽153的一端与第四切割槽154的另一端之间是A缺口形柔性铰链II ；第四切割槽154的一端与第一切割槽151的另一端之间是D缺口形柔性铰链IL ；第五切割槽161的一端与第六切割槽162的另一端之间是G缺口形柔性铰链10 ；第六切割槽162的一端与第七切割槽163的另一端之间是F缺口形柔性铰链IN ；第七切割槽163的一端与第八切割槽164的另一端之间是B缺口形柔性铰链IJ ；第八切割槽164的一端与第五切割槽161的另一端之间是C缺口形柔性铰链IK ；在本发明中，八个切割槽将敏感体1分割成三个平台，即第一平台12、第二平台13 和第三平台14。第一平台12上安装有位移检测件3。第三平台14上安装有支架2。参见图2、图2B所示，在本发明中，第一切割槽15上设有第一限位凸起15A、第二限位凸起15B、第三限位凸起15C和第四限位凸起15D。所述的限位凸起(第一限位凸起 15A、第二限位凸起15B、第三限位凸起15C和第四限位凸起15D)与调节钉(第一调节钉6、 第二调节钉7、第三调节钉8、第四调节钉9)配合能够调节两级力分辨率中第一级力分辨率的有效力测量范围。第一限位凸起15A、第二限位凸起15B与第一调节钉6、第二调节钉7 构成一组，用于测量拉力时进行调节；第三限位凸起15C、第四限位凸起15D与第三调节钉 8、第四调节钉9构成另一组，用于测量压力时进行调节。参见图2所示，敏感体1的A板面IlA上设有A通孔101、A螺纹孔102、B螺纹孔 103 ；A通孔101用于探头5穿过；A螺纹孔102用于安装第一调节钉6，第一调节钉6与第一限位凸起15A配合；B螺纹孔103用于安装第二调节钉7，第二调节钉7与第二限位凸起 15B配合。在本发明中，第一限位凸起15A、第二限位凸起15B、第一调节钉6、第二调节钉7 为第一组限位器，该第一组限位器用于调节第二平台13与第三平台14之间的间距，使得在受拉的条件下，该力传感器的第一级力分辨率的测量量程得以改变。参见图2A所示，敏感体1的B板面IlB上设有C螺纹孔104、D螺纹孔105 ；C螺纹孔104用于安装第三调节钉8，第三调节钉8与第三限位凸起15C配合；D螺纹孔105用于安装第四调节钉9，第四调节钉9与第四限位凸起15D配合。在本发明中，第三限位凸起 15C、第四限位凸起15D、第三调节钉8、第四调节钉9为第二组限位器，该第二组限位器用于调节第二平台13与第三平台14之间的间距，使得在受压的条件下，该力传感器的第一级分辨率的测量量程得以改变。参见图2B所示，A柔性罗伯茨机构IA通过A缺口形柔性铰链II与第二平台13连接；B柔性罗伯茨机构IB通过B缺口形柔性铰链IJ与第一平台12连接；C柔性罗伯茨机构IC通过C缺口形柔性铰链IK与第一平台12连接；D柔性罗伯茨机构ID通过D缺口形柔性铰链IL与第二平台13连接；E柔性罗伯茨机构IE通过E缺口形柔性铰链IM与第二平台 13连接；F柔性罗伯茨机构IF通过F缺口形柔性铰链IN与第一平台12连接；G柔性罗伯茨机构IG通过G缺口形柔性铰链10与第一平台12连接；H柔性罗伯茨机构IH通过H缺口形柔性铰链IP与第二平台13连接。在本发明中，8个缺口形柔性铰链的设计，避免了敏感体1在测量时发生应力的集中现象。在本发明中，敏感体1上的8个柔性Roberts机构分为两组，对称布置在运动平台两侧。当外力F通过探头5作用在第一平台12上时，柔性Roberts机构中的板簧产生弹性变形，保证了第一平台12和第二平台13的高精度直线运动。在本发明中，敏感体1采用铝合金7075材料加工。(二)支架 2参见图1、图1A、图1B、图3所示，支架2的立板22上设有中心通孔23，该中心通孔23的上方设有缝隙M，该缝隙M将立板22的上端分为A支臂25和B支臂26，A支臂 25上设有通孔(图3中未示出)，B支臂沈上设有C通孔27。中心通孔23用于放置电涡流位移传感器4。电涡流位移传感器4在支架2上的夹紧安装通过A螺钉2A穿过B支臂沈上的C通孔27、A支臂25上的通孔后连接上螺母2B 实现。支架2的底座21上的两个通孔与敏感体1上的E螺纹孔106和F螺纹孔107保持同轴，且通过B螺钉106A与E螺纹孔106的配合、以及C螺钉107A与F螺纹孔107的配合，从而实现将支架2固定安装在第三平台14上。在本发明中，支架2采用抱紧的方式安装电涡流位移传感器4，能够方便地调节电涡流位移传感器4的敏感端与检测板31之间的距离，从而极大地方便了标定和测量工作。在本发明中，支架2采用铝合金5052材料加工。(三)位移检测件3参见图1、图1A、图IB所示，位移检测件3安装在第一平台12上，即通过D螺钉 108A与G螺纹孔108配合、以及E螺钉109A与H螺纹孔109配合，实现将位移检测件3安装在第一平台12上。位移检测件3的检测板31与电涡流位移传感器4相对，且电涡流位移传感器4的敏感端与位移检测件3的检测板31存在有间距d，d = 1. 3 1. 5mm。在本发明中，位移检测件3采用铝合金5052材料加工。(四)电涡流位移传感器4参见图1、图1A、图IB所示，电涡流位移传感器4安装在支架2上，电涡流位移传感器4的敏感端与位移检测件3的检测板31存在有间距d，d = 1. 3 1. 5mm。在本发明中，电涡流位移传感器4用于检测敏感体1的中间平台的运动位移量。在本发明中，电涡流位移传感器4采用上海测振自动化仪器有限公司生产的 YD9800系列电涡流位移传感器，其位移分辨率可以达到lOOnm。(五)探头5参见图1、图1A、图1B、图2C、图4所示，探头5的一端为圆锥头51，探头5的另一端为螺纹接头52 ；探头5的螺纹接头52顺次穿过敏感体1的A通孔101、B通孔110后螺纹连接在J螺纹孔111内。
在本发明中，探头5采用铝合金5052材料加工。参见图5所示，本发明是一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器， 该力传感器在实现两级力分辨率的工作原理为敏感体1上的A柔性罗伯茨机构1A、D柔性罗伯茨机构ID、H柔性罗伯茨机构IH 和E柔性罗伯茨机构IE构成一组，形成类似具有刚度值ka的第一弹簧。所述第一弹簧在受力条件下，带动第二平台13运动。敏感体1上的B柔性罗伯茨机构IB、C柔性罗伯茨机构1C、G柔性罗伯茨机构IG 和F柔性罗伯茨机构IF构成另外一组，形成类似具有刚度值kb的第二弹簧。所述第二弹簧在受力条件下，带动第一平台12运动。当被测力较小时，第一弹簧与第二弹簧是串联关系，此时的刚度值为Ic1 = kakb/ (ka+kb)；当被测外力较大时，第二平台13的运动被第一调节钉6和第二调节钉7 (受拉力作用时)或第三调节钉8和第四调节钉9 (受压力作用时)限制�。耸钡谝坏墒В挥械诙善鹱饔茫耸钡母斩任�1 = kb。由于在一个敏感体1上实现了两级刚度的变化， 因此在进行同样的位移检测时，本发明传感器能够实现具有两级力分辨率和两级力测量范围的测量要求。本发明是一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器的工作原理为(A)当探头5在受到外部压力的条件下，第二平台13与第一平台12同时向右方向运动；(B)位移检测件3的检测板31向电涡流位移传感器4的敏感端靠近；(C)电涡流位移传感器4检测到第一平台12的运动量；(D)当第二平台13与第三调节钉8和第四调节钉9接触后，第二平台13停止运动，第一平台12继续运动；(E)运动着的第一平台12带着位移检测件3的检测板3 1继续向电涡流位移传感器4的敏感端靠近；(F)电涡流位移传感器4再次检测到第一平台12的运动量。本发明设计的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，是电涡流位移传感器4，当外力通过探头5作用在敏感体1的第一平台12上时，电涡流位移传感器4的敏感端通过检测电涡流位移传感器4与位移检测件3的检测板31之间距离变化，并将检测到的位移信号转换为被测力的大小。这种测量方式是通过检测运动部件的位移，而不是板簧自身的变形来感知被测信号，从而极大地减小了外界噪声信号的干扰，提高了力传感器的测量精度。
1权利要求
1. 一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于该力传感器包括有敏感体(1)、支架O)、位移检测件(3)、电涡流位移传感器(4)和探头(5)；敏感体(1)采用电火花线切割技术一方面切割有A柔性罗伯茨机构(IA)、B柔性罗伯茨机构(IB)、C柔性罗伯茨机构(IC)、D柔性罗伯茨机构(ID)、E柔性罗伯茨机构(IE)、F 柔性罗伯茨机构(IF)、G柔性罗伯茨机构(IG)、H柔性罗伯茨机构(IH)；敏感体(1)采用电火花线切割技术另一方面切割有第一切割槽(151)、第二切割槽 (152)、第三切割槽(153)、第四切割槽(154)、第五切割槽(161)、第六切割槽(162)、第七切割槽(163)、第八切割槽(164)；第一切割槽(151)的一端与第二切割槽(152)的另一端之间是H缺口形柔性铰链 (IP)；第二切割槽(152)的一端与第三切割槽(153)的另一端之间是E缺口形柔性铰链(IM)；第三切割槽(153)的一端与第四切割槽(154)的另一端之间是A缺口形柔性铰链(II)；第四切割槽(154)的一端与第一切割槽(151)的另一端之间是D缺口形柔性铰链(IL)；第五切割槽(161)的一端与第六切割槽(162)的另一端之间是G缺口形柔性铰链(10)；第六切割槽(162)的一端与第七切割槽(163)的另一端之间是F缺口形柔性铰链(IN)；第七切割槽(163)的一端与第八切割槽(164)的另一端之间是B缺口形柔性铰链(IJ)；第八切割槽(164)的一端与第五切割槽(161)的另一端之间是C缺口形柔性铰链 (IK)；所述切割槽将敏感体(1)分割成第一平台(12)、第二平台(13)和第三平台(14)； 第一平台(1 上安装有位移检测件(3)； 第三平台(14)上安装有支架O)；第一切割槽(巧)上设有第一限位凸起(15A)、第二限位凸起(15B)、第三限位凸起 (15C)和第四限位凸起(15D)；第一限位凸起(15A)、第二限位凸起(15B)与第一调节钉 (6)、第二调节钉(7)构成一组用于测量拉力时进行调节；第三限位凸起(15C)、第四限位凸起(15D)与第三调节钉(8)、第四调节钉(9)构成另一组用于测量压力时进行调节；敏感体(1)的A板面(IlA)上设有A通孔(101)、A螺纹孔(102)、B螺纹孔(103) ；A通孔(101)用于探头(5)穿过；A螺纹孔(102)用于安装第一调节钉(6) ；B螺纹孔(103)用于安装第二调节钉(7)；敏感体(1)的B板面(IlB)上设有C螺纹孔(104)、D螺纹孔(105) ；C螺纹孔(104)用于安装第三调节钉⑶；D螺纹孔(105)用于安装第四调节钉(9)；A柔性罗伯茨机构(IA)通过A缺口形柔性铰链(II)与第二平台(13)连接；B柔性罗伯茨机构(IB)通过B缺口形柔性铰链(IJ)与第一平台(12)连接；C柔性罗伯茨机构(IC) 通过C缺口形柔性铰链(IK)与第一平台(1 连接；D柔性罗伯茨机构(ID)通过D缺口形柔性铰链(IL)与第二平台(1 连接；E柔性罗伯茨机构(IE)通过E缺口形柔性铰链(IM) 与第二平台(13)连接；F柔性罗伯茨机构(IF)通过F缺口形柔性铰链(IN)与第一平台 (12)连接；G柔性罗伯茨机构(IG)通过G缺口形柔性铰链(10)与第一平台(12)连接；H 柔性罗伯茨机构(IH)通过H缺口形柔性铰链(IP)与第二平台(1 连接；支架O)的立板0 上设有中心通孔(23)，该中心通孔的上方设有缝隙(M)， 该缝隙04)将立板02)的上端分为A支臂05)和B支臂06)，A支臂Q5)上设有通孔， B支臂06)上设有C通孔(XT)；中心通孔03)用于放置电涡流位移传感器⑷；电涡流位移传感器⑷在支架(2)上的夹紧安装通过A螺钉m穿过B支臂06)上的C通孔Q7)、A支臂05)上的通孔后连接上螺母0Β)实现；支架的底座上的两个通孔与敏感体(1)上的E螺纹孔(106)和F螺纹孔 (107)保持同轴，且通过B螺钉(106Α)与E螺纹孔(106)的配合、以及C螺钉(107Α)与F 螺纹孔(107)的配合，从而实现将支架O)固定安装在第三平台(14)上；位移检测件C3)安装在第一平台(1 上，即通过D螺钉(108A)与G螺纹孔(108)配合、以及E螺钉(109A)与H螺纹孔(109)配合，实现将位移检测件(；3)安装在第一平台(12) 上；位移检测件C3)的检测板(31)与电涡流位移传感器(4)相对，且电涡流位移传感器(4) 的敏感端与位移检测件(3)的检测板(31)存在有间距d，d = 1. 3 1. 5mm ；电涡流位移传感器(4)安装在支架( 上，电涡流位移传感器的敏感端与位移检测件(3)的检测板(31)存在有间距d，d = 1. 3 1. 5mm ；探头(5)的一端为圆锥头(51)，探头(5)的另一端为螺纹接头(52)；探头(5)的螺纹接头(52)顺次穿过敏感体(1)的A通孔(101)、B通孔(110)后螺纹连接在J螺纹孔(111) 内。
2.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于第一限位凸起(15A)、第二限位凸起(15B)、第一调节钉(6)、第二调节钉(7)为第一组限位器，该第一组限位器用于调节第二平台(1 与第三平台(14)之间的间距。
3.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于第三限位凸起(15C)、第四限位凸起(15D)、第三调节钉(8)、第四调节钉(9)为第二组限位器，该第二组限位器用于调节第二平台(1 与第三平台(14)之间的间距。
4.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于该力传感器在实现两级力分辨率的工作原理为敏感体(1)上的A柔性罗伯茨机构(IA)、D柔性罗伯茨机构(ID)、H柔性罗伯茨机构 (IH)和E柔性罗伯茨机构(IE)构成一组，形成类似具有刚度值ka的第一弹簧；所述第一弹簧在受力条件下，带动第二平台(1 运动；敏感体(1)上的B柔性罗伯茨机构(IB)、C柔性罗伯茨机构(IC)、G柔性罗伯茨机构 (IG)和F柔性罗伯茨机构(IF)构成另外一组，形成类似具有刚度值kb的第二弹簧；所述第二弹簧在受力条件下，带动第一平台(1 运动；当被测力较小时，第一弹簧与第二弹簧是串联关系，此时的刚度值为Ic1 = kakb/ (ka+kb)；当被测外力较大时，第二平台(1 的运动被第一调节钉(6)和第二调节钉(7)或第三调节钉(8)和第四调节钉(9)限制�。耸钡谝坏墒В挥械诙善鹱饔茫耸钡母斩任猭2 = kb。
5.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于敏感体(1)采用铝合金7075材料加工。
6.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于支架( 采用铝合金5052材料加工。
7.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于位移检测件C3)采用铝合金5052材料加工。
8.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于电涡流位移传感器(4)的位移分辨率可以达到lOOnm。
9.根据权利要求1所述的基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，其特征在于电涡流位移传感器(4)用于检测敏感体(1)的中间平台的运动位移量。
全文摘要
本发明公开了一种基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器，该力传感器包括有敏感体、支架、位移检测件、电涡流位移传感器和探头。电涡流位移传感器通过抱紧的方式安装在支架上；支架通过螺钉与敏感体固定；位移检测件通过螺钉固定在敏感体的第一平台上；探头一端穿过敏感体的前板面通孔后安装在第一平台的螺纹孔内。本发明敏感体采用电火花线切割的方式加工出两组柔性Roberts直线运动机构。该两组柔性机构对称布置保证了运动平台的高精度直线运动，即减小了机构的寄生误差。同时，作为力传感器的敏感结构件，敏感体采用一个零件，不需要进行装配，从而有效地避免了传统力传感器由于装配带来的摩擦、间隙等问题。本发明的传感器能有效地实现两级力分辨率，这是传统力传感器无法实现的。
文档编号G01L1/26GK102435353SQ20111027452
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者刘敬猛, 蒋俊, 陈文杰 申请人:北京航空航天大学
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