专利名称：用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种六维力与力矩传感器，具体来说，涉及一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器。
背景技术：
多维力与力矩传感器是机电控制系统中一类非常重要的机械量测量传感器，它是保证精密装配、精密操作、精密控制以及人机交互控制的基础元件，也是机器人完成接触性作业任务的保障。随着我国空间探测技术、海洋开发技术以及机器人技术的迅速发展，如空间站对接、空间机械手力控制、工业机器人、水下机器人遥操作等，迫切需要研发各种用途的大量程高精度多维力与力矩传感器。现有的机器人力与力矩传感器主要分为六维和三维两种力与力矩传感器，绝大多数机器人力与力矩传感器的设计集中在六维力与力矩传感器方面，并产生了多项专利技术，具体有“六自由度力与力矩传感器”，“双层预紧式多分支六维力传感器及其结构稳定性分析”，“一种具有弹性铰链的六维力与力矩传感器”，“并联解耦结构六维力与力矩传感器”，“整体预紧平台式六维力传感器”，等。现有的机器人六维力与力矩传感器结构相对复杂、贴片数量和组桥电路多、体积较大、价格高，并且存在着较为严重的维间耦合。基于十字梁弹性体的六维力与力矩传感器是目前使用较广的一种，它主要提供X，Y，Z三个方向的力信息和Mx，My, Mz三个维度的力矩信息，并且相对其他结构的传感器而言，具有结构简单、体积小、贴片数量较低等优点。六维力传感器的性能主要考虑其分辨率和量程。在实际应用中，往往希望传感器在一定的尺寸条件下，有尽量高的分辨率，同时具有较大的量程(刚度)，然而这两个方面恰好形成一对矛盾，即提高了刚度必然在一定程度上降低其分辨率；反之，提高分辨率往往会降低传感器的刚度，从而量程变小。而随着工业机器人、遥操作机器人等机器人系统的发展，尤其是具有大型机械臂的大型空间机器人的发展，对于力与力矩传感器的性能方面往往要求测量更大的力以及较小的力矩，这使得传感器测量范围上产生不对称的需求，而原来十字梁结构的六维力与力矩传感器不易满足。因此，发明一种可以测量大力、小力矩的传感器非常具有实用价值。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，该六维力与力矩传感器可提高对力的测量的刚度，即提高测量力的量程；同时对力矩的测量刚度也有小幅提高，即可同时提高测量力矩的量程，形成一种具有测量大量程力、小量程力矩的六维力与力矩传感器。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器,该六维力与力矩传感器包括中心轴、力敏元件、底座和应变片组件，力敏元件固定连接在底座上，中心轴穿过力敏元件和底座，且中心轴与力敏元件过盈配合，应变片组件贴覆在力敏元件上，其中，所述的力敏元件包括四根弹性主梁、四根弹性副梁、呈正八角形的中心轴台、四个固定台、四个主浮动梁和四个副浮动梁，中心轴台的几何中心设有通孔，四个固定台均匀分布在中心轴台周边，主浮动梁固定连接在相邻的两个固定台之间，每个副浮动梁固定连接在一个固定台上，且副浮动梁朝向中心轴台，副浮动梁和固定台之间设有空腔；每根弹性主梁的一端固定连接在中心轴台的侧壁上，每根弹性主梁的另一端固定连接在主浮动梁上，且弹性主梁分别与中心轴台的侧壁和主浮动梁垂直；每根弹性副梁的一端固定连接在中心轴台的侧壁上，每根弹性副梁的另一端固定连接在副浮动梁上，且弹性副梁分别与中心轴台的侧壁和副浮动梁垂直；弹性主梁和弹性副梁交替布置，且相邻的弹性主梁和弹性副梁之间的夹角为45度；所述的应变片组件包括第一应变片组和第二应变片组，四根弹性主梁中相对的两根弹性主梁上分别贴覆第一应变片组，其余两根弹性主梁上分别贴覆第二应变片组，第一应变片组包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片，第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片分别贴覆在弹性主梁的四侧壁面上，第五应变片贴覆在弹性主梁的上壁面，第六应变片贴覆在弹性主梁的下壁面，且第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片比第五应变片和第六应变片靠近中心轴台；第二应变片组包括第七应变片、第八应变片、第九应变片、第十应变片、第十一应变片和第十二应变片，第七应变片、第八应变片、第九应变片和第十应变片分别贴覆在弹性主梁的四侧壁面上，第十一应变片贴覆在弹性主梁的左壁面，第十二应变片贴覆在弹性主梁的右壁面，且第i^一应变片和第十二应变片比第七应变片、第八应变片、第九应变片和第十应变片靠近中心轴台；所述的力敏元件的固定台与底座固定连接，中心轴与中心轴台的通孔过盈配合。有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:(I)提高测量力和力矩的量程。本发明改进了原六维力与力矩传感器的十字梁结构，改用米字形的弹性主梁和弹性副梁组成的力敏元件，在弹性主梁和弹性副梁的端部垂直设置主浮动梁和副浮动梁。与原十字梁结构在相同尺寸条件下，利用有限元分析软件ANSYS分析，本发明的传感器可在不减小测量灵敏度的情况下，对六维的力和力矩测量量程有不同程度的扩大。与同尺寸的十字弹性体相比，本发明的传感器对力的量程扩大4一7倍，对力矩的量程扩大2— 4倍，最终形成一种可以测量大量程力和小量程力矩的六维力与力矩传感器，对于大型机械臂等相关领域具有极大的实用价值。也就是说，本发明的传感器具有尺寸小、灵敏度高、刚度高的优点。(2)耦合误差小。本发明中的弹性主梁和弹性副梁均采用了浮动梁结构，尤其是与弹性副梁连接的副浮动梁，副浮动梁和固定台之间设置空腔，以实现副浮动梁的弹性支撑效果。主浮动梁和副浮动梁在不同方向上分别起着柔性梁和弹性支撑梁的作用，从而使各个方向的作用力不影响其他方向上作用力的效果，因此，该传感器具有耦合误差小的优点。(3)测量准确。本发明的传感器采用六组全桥电路，每组全桥电路包括4片应变片的技术措施，使得每组全桥电路测量一个维度的力或力矩，电路互相独立、互不影响。对于每个维度的测量，利用全等臂差动电桥，可以最大程度地提高灵敏度，并消除了电路测量的非线性误差。因此， 本发明以较少的应变片实现了误差的进一步减小。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明中力敏元件的结构示意图。图3是本发明中贴覆应变片组件的弹性主梁和弹性副梁的俯视图。图4是本发明中贴覆应变片组件的弹性主梁和弹性副梁的仰视图。图5是本发明测量的X维力Ufx的全桥组桥电路图。图6是本发明测量的Y维力Ufy的全桥组桥电路图。图7是本发明测量的Z维力Ufz的全桥组桥电路图。图8是本发明测量的X维力矩Utx的全桥组桥电路图。图9是本发明测量的Y维力矩Uty的全桥组桥电路图。图10是本发明测量的Z维力矩Utz的全桥组桥电路图。图11是本发明具体实施方式
中作为对比例的同尺寸十字形弹性主梁的结构示意图。图12是对比例的传感器受Fx力时的形变图。图13是本发明的传感器受Fx力时的形变图。图14是对比例的传感器受Fx时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变线条图。图15是本发明的传感器受Fx时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变线条图。图16是对比例的传感器受Fz力时的形变图。图17是本发明的传感器受Fz力时的形变图。图18是对比例的传感器受Fz时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变线条图。图19是本发明的传感器受Fz时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变线条图。图20是对比例的传感器受Mz力时的形变图。图21是本发明的传感器受Mz力时的形变图。图22是对比例的传感器受Mz时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变图。图23是本发明的传感器受Mz时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变图。图24是对比例的传感器受My力时的形变图。图25是本发明的传感器受My力时的形变图。图26是对比例的传感器受My时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变图。图27是本发明的传感器受My时弯曲的弹性主梁表面中心线上的应变图。图中有中心轴1、力敏元件2、底座3、弹性主梁21、弹性副梁22、中心轴台23、固定台24、主浮动梁25、副浮动梁26、空腔27。
具体实施例方式下面结合附图，详细说本发明的技术方案。如图1至图4所示，本发明的一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，包括中心轴1、力敏元件2、底座3和应变片组件。力敏元件2固定连接在底座3上，中心轴I穿过力敏元件2和底座3，且中心轴I与力敏元件2过盈配合，应变片组件贴覆在力敏元件2上。通过中心轴I的转动，带动整个传感器的转动，实现对力与力矩的测量。力敏元件2包括四根弹性主梁21、四根弹性副梁22、呈正八角形的中心轴台23、四个固定台24、四个主浮动梁25和四个副浮动梁26。中心轴台23的几何中心设有通孔。四个固定台24均匀分布在中心轴台23周边。四个固定台24的最外层轮廓可为圆形，便于放置到底座3中。主浮动梁25固定连接在相邻的两个固定台24之间。每个副浮动梁26固定连接在一个固定台24上，且副浮动梁26朝向中心轴台23。副浮动梁26和固定台24之间设有空腔
27。设置空腔27，避免了副浮动梁26和固定台24直接接触，有利于副浮动梁26发生形变，提高测量精度。作为优选方案，副浮动梁26和主浮动梁25的厚度相等。每根弹性主梁21的一端固定连接在中心轴台23的侧壁上，每根弹性主梁21的另一端固定连接在主浮动梁25上，且弹性主梁21分别与中心轴台23的侧壁和主浮动梁25垂直。每根弹性副梁22的一端固定连接在中心轴台23的侧壁上，每根弹性副梁22的另一端固定连接在副浮动梁26上，且弹性副梁22分别与中心轴台23的侧壁和副浮动梁26垂直。弹性主梁21和弹性副梁22交替布置，且相邻的弹性主梁21和弹性副梁之间的夹角为45度。弹性主梁21和弹性副梁22的截面尺寸相同，但弹性副梁22的长度比弹性主梁21的长度短。应变片组件包括第一应变片组和第二应变片组。四根弹性主梁21中相对的两根弹性主梁21上分别贴覆第一应变片组，其余两根弹性主梁21上分别贴覆第二应变片组。第一应变片组包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片。第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片分别贴覆在弹性主梁21的四侧壁面上。弹性主梁21的四侧壁面包括上壁面、下壁面、左壁面和右壁面，不包括端面。第五应变片贴覆在弹性主梁21的上壁面，第六应变片贴覆在弹性主梁21的下壁面，且第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片比第五应变片和第六应变片靠近中心轴台23。第二应变片组包括第七应变片、第八应变片、第九应变片、第十应变片、第十一应变片和第十二应变片。第七应变片、第八应变片、第九应变片和第十应变片分别贴覆在弹性主梁21的四侧壁面上。第十一应变片贴覆在弹性主梁21的左壁面，第十二应变片贴覆在弹性主梁21的右壁面，且第十一应变片和第十二应变片比第七应变片、第八应变片、第九应变片和第十应变片靠近中心轴台23。力敏元件2的固定台24与底座3固定连接，中心轴I与中心轴台23的通孔过盈配合。进一步，所述的四根弹性主梁21和四根弹性副梁22的截面均呈正方形。采用正方形的截面，可以使弹性主梁21和弹性副梁22的z方向的形变和X、y方向的形变具有等效的效果，通过后面的电路采集系统分析形变量之后，再换算到力或力矩的对应关系更加简单，从而简化换算和解耦算法，进而简化测量过程。进一步，所述的副浮动梁26和固定台24呈整体式结构。这有利于制作，并且可以提高副浮动梁26和固定台24连接的稳定性。进一步，所述的用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，还包括顶盖，顶盖上设有中心孔，顶盖的中心孔穿过中心轴1，且顶盖与力敏组件2的固定台24固定连接。设置顶盖，可以避免杂质落入力敏元件2中，影响测量精度。上述结构的六维力与力矩传感器对力和力矩的测量由电阻应变电桥实现。每4片应变片为一组，构成一个全桥电路测量一个维度的力或力矩。本发明采用24片应变片，组成六个全桥电路。通过测量每个电桥的输出电压后，根据现有的多维力传感器解耦方法可以计算出三个维度的力和三个维度的力矩。例如，申请号为201010168331. 8，发明名称为基于耦合误差建模的多维力传感器解耦方法的中国专利文献公开了该解耦方法。如图3和图4所示，位于上部的弹性主梁21贴覆第一应变片组，分别为包括上第一应变片R1、上第二应变片R14、上第三应变片R7、上第四应变片R13、上第五应变片R2和上第六应变片R8。位于下部的弹性主梁21也贴覆第一应变片组，分别为下第一应变片R3、下第二应变片R16、下第三应变片R9、下第四应变片R15、下第五应变片&和下第六应变片R1(l。位于左部的弹性主梁21贴覆第二应变片组，分别为左第七应变片R6、左第八应变片R22、左第九应变片R12、左第十应变片R24、左第i^一应变片R21和左第十二应变片R23。位于右部的弹性主梁21贴覆第二应变片组，分别为右第七应变片Rn、右第八应变片R18、右第九应变片R5、右第十应变片R2tl、右第i^一应变片R17和右第十二应变片R19。测量Fx的四片应变片为在y向的十字形弹性主梁21的左右两侧，并且位于弹性主梁21的根部，靠近中心轴台23，即图中的上第四应变片R13、上第二应变片R14、下第四应变片R15、和下第二应变片R16。测量Fx的电路图如图5所示，当力敏元件2受正向Fx力产生形变时，上第二应变片R14和下第二应变片R16被拉伸，电阻增大；上第四应变片R13和下第四应变片R15被压缩，电阻减小。当受反向力时，则该四个应变片的电阻变化相反。由于机械形变和应变片的对称性，变化的电阻AR几乎相等。组桥时，电桥相对臂的应变片同向变化(受拉或受压)，相邻臂的应变片异向变化(一个受拉一个受压)，即保证上第二应变片R14和下第二应变片R16处于相对臂，上第四应变片R13和下第四应变片R15处于相对臂，形成一个全等臂差动电桥。测量Fy的四片应变片，在X向的十字形弹性主梁21的左右两侧，且位于弹性主梁21的根部，即图中的右第i^一应变片R17、右第十二应变片R19、左第i^一应变片R21和左第十二应变片R23。测量Fy的电路图如图6所示，当力敏元件2受正向Fy力产生形变时，右第H^一应变片R17和左第i^一应变片R21被拉伸，电阻增大，右第十二应变片R19和左第十二应变片R23被压缩，电阻减小。当受反向力时，则该四个应变片的电阻变化相反。组桥时，右第H^一应变片R17和左第i^一应变片R21处于相对臂，右第十二应变片R19和左第十二应变片R23处于相对臂，形成一个全等臂差动电桥。测量Fz的四片应变片，在y向的十字形弹性主梁21的上下两侧，即正面和背面，且位于弹性主梁21的根部，即图中的上第一应变片R1、下第一应变片R3、上第三应变片R7、下第三应变片R9。测量Fz的电路图如图7所示，当力敏元件2受正向Fz力产生形变时，上第三应变片R7和下第三应变片R9被拉伸，电阻增大，上第一应变片R1和下第一应变片R3被压缩，电阻减小。当受反向力时，则该四个应变片的电阻变化相反。组桥时，上第三应变片R7和下第三应变片R9处于相对臂，上第一应变片R1和下第一应变片R3处于相对臂，形成一个全等臂差动电桥。测量Mx的四片应变片，在y向的十字形弹性主梁21的上下两侧，且位于弹性主梁21的中部，即图中的上第五应变片R2、下第五应变片R4、上第六应变片R8和下第六应变片R100测量Mx的电路图如图8所示，当力敏元件2受正向Mx力矩产生形变时，上第五应变片R2和下第六应变片Rltl被拉伸，电阻增大，下第五应变片R4和上第六应变片R8被压缩，电阻减小。当受反向力时，则该四个应变片的电阻变化相反。组桥时，上第五应变片R2和下第六应变片Rltl处于相对臂，下第五应变片R4和上第六应变片R8处于相对臂，形成一个全等臂差动电桥。测量My的四片应变片，在X向的十字形弹性主梁21的上下两侧，且位于弹性主梁21的中部，即图中的右第九 应变片R5、左第七应变片R6、右第七应变片R11和左第九应变片R12。测量My的电路图如图9所示，当力敏元件2受正向My力矩产生形变时，左第七应变片R6和左第九应变片R12被拉伸，电阻增大，右第九应变片R5和右第七应变片R11被压缩，电阻减小。当受反向力时，则该四个应变片的电阻变化相反。组桥时，左第七应变片R6和左第九应变片R12处于相对臂，右第九应变片R5和右第七应变片R11处于相对臂，形成一个全等臂差动电桥。测量Mz的四片应变片，在X向的十字形弹性主梁21的左右两侧，并且位于弹性主梁21的中部，即图中的右第八应变片R18、右第十应变片R2tl、左第八应变片R22和左第十应变片民4。测量Mz的电路图如图10所示，当力敏元件2受正向Mz力矩产生形变时，右第八应变片R18和左第十应变片R24被拉伸，电阻增大，右第十应变片R2tl和左第八应变片R22被压缩，电阻减小。当受反向力时，则该四个应变片的电阻变化相反。组桥时，右第八应变片R18和左第十应变片R24处于相对臂，右第十应变片R2tl和左第八应变片R22处于相对臂，形成一个全等臂差动电桥。为了保证测量的精确性，应变片的位置保持对称性，各应变片的中心轴线要和弹性主梁21的中心轴线重合。其中，位于弹性主梁21根部的应变片距离中心轴台的圆心的距离用a表示，位于弹性主梁21中部的应变片距离中心轴台23圆心的距离用b表示。a和b的值根据弹性主梁21的具体尺寸变化而进行比例性的伸缩。设弹性主梁21的长度为L，中心轴台23圆心到中心轴台23侧壁的距离为S，则:a=s+L/5b=s+2L/5下面通过试验对比，来证明本发明的六维力与力矩传感器的优良性能。作为对比的六维力与力矩传感器(下文简称:对比例的传感器)，其结构与本发明相同，不同的是，没有采用弹性副梁22和副浮动梁26结构，其余结构与本发明相同，包括应变片的贴覆位置均与本发明相同，具体参数如表I所示。对比例的传感器的力敏元件结构如图11所示。表1传感器尺寸参数
权利要求
1.一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，其特征在于，该六维力与力矩传感器包括中心轴(I)、力敏元件(2)、底座(3)和应变片组件,力敏元件(2)固定连接在底座(3)上，中心轴(I)穿过力敏元件(2)和底座(3)，且中心轴(I)与力敏元件(2 )过盈配合，应变片组件贴覆在力敏元件(2 )上，其中， 所述的力敏元件(2)包括四根弹性主梁(21)、四根弹性副梁(22)、呈正八角形的中心轴台(23)、四个固定台(24)、四个主浮动梁(25)和四个副浮动梁(26)，中心轴台(23)的几何中心设有通孔，四个固定台(24)均匀分布在中心轴台(23)周边，主浮动梁(25)固定连接在相邻的两个固定台(24)之间，每个副浮动梁(26)固定连接在一个固定台(24)上，且副浮动梁(26 )朝向中心轴台(23 )，副浮动梁(26 )和固定台(24 )之间设有空腔(27 );每根弹性主梁(21)的一端固定连接在中心轴台(23)的侧壁上，每根弹性主梁(21)的另一端固定连接在主浮动梁(25)上，且弹性主梁(21)分别与中心轴台(23)的侧壁和主浮动梁(25)垂直；每根弹性副梁(22)的一端固定连接在中心轴台(23)的侧壁上，每根弹性副梁(22)的另一端固定连接在副浮动梁(26)上，且弹性副梁(22)分别与中心轴台(23)的侧壁和副浮动梁(26)垂直；弹性主梁(21)和弹性副梁(22)交替布置，且相邻的弹性主梁(21)和弹性副梁之间的夹角为45度； 所述的应变片组件包括第一应变片组和第二应变片组，四根弹性主梁(21)中相对的两根弹性主梁(21)上分别贴覆第一应变片组，其余两根弹性主梁(21)上分别贴覆第二应变片组，第一应变片组包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、第五应变片和第六应变片，第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片分别贴覆在弹性主梁(21)的四侧壁面上，第五应变片贴覆在弹性主梁(21)的上壁面，第六应变片贴覆在弹性主梁(21)的下壁面，且第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片比第五应变片和第六应变片靠近中心轴台(23);第二应变片组包括第七应变片、第八应变片、第九应变片、第十应变片、第i^一应变片和第十二应变片，第七应变片、第八应变片、第九应变片和第十应变片分别贴覆在弹性主梁(21)的四侧壁面上，第十一应变片贴覆在弹性主梁(21)的左壁面，第十二应变片贴覆在弹性主梁(21)的右壁面，且第i^一应变片和第十二应变片比第七应变片、第八应变片、第九应变片和第十应变片靠近中心轴台(23)； 所述的力敏元件(2 )的固定台(24 )与底座(3 )固定连接，中心轴(I)与中心轴台(23 )的通孔过盈配合。
2.按照权利要求1所述的用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，其特征在于，所述的四根弹性主梁(21)和四根弹性副梁(22)的截面均呈正方形。
3.按照权利要求1所述的用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，其特征在于，所述的副浮动梁(26)和固定台(24)呈整体式结构。
4.按照权利要求1所述的用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，其特征在于，还包括顶盖，顶盖上设有中心孔，顶盖的中心孔穿过中心轴(I )，且顶盖与力敏组件(2)的固定台(24)固定连接。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器，包括中心轴、力敏元件、底座和应变片组件，力敏元件固定连接在底座上，中心轴穿过力敏元件和底座，且中心轴与力敏元件过盈配合，应变片组件贴覆在力敏元件上，力敏元件包括四根弹性主梁、四根弹性副梁、呈正八角形的中心轴台、四个固定台、四个主浮动梁和四个副浮动梁，应变片组件包括第一应变片组和第二应变片组，四根弹性主梁中相对的两根弹性主梁上分别贴覆第一应变片组，其余两根弹性主梁上分别贴覆第二应变片组；中心轴与中心轴台的通孔过盈配合。该六维力与力矩传感器可提高对力的测量的刚度，同时对力矩的测量刚度也有小幅提高。
文档编号G01L3/00GK103076131SQ20121058978
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者宋爱国, 陈丹凤, 徐宝国, 茅晨, 武秀秀, 潘栋成 申请人:东南大学
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