專利名稱：一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力矩傳感器，更特別地說(shuō)，是指一種應(yīng)用于機(jī)器人力與力矩傳感器領(lǐng)域的、能夠測(cè)量空間六維力的力矩傳感器。
背景技術(shù)：
目前，六維力傳感器按照測(cè)量原理可以分為電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式和光電式等，其中電阻應(yīng)變式六維力傳感器應(yīng)用最為廣泛和成熟，它通過(guò)測(cè)量粘貼在彈性體上的應(yīng)變片由于機(jī)械變形所引起的電阻值的變化來(lái)測(cè)量力和力矩。上述幾種六維力傳感器具有以下缺點(diǎn)(1)上述幾種原理的傳感器，其核心構(gòu)件均為一特殊結(jié)構(gòu)的彈性體，而此彈性體的加工要求較高，加工工藝復(fù)雜；(2)后處理電路非常復(fù)雜；(3)耦合問(wèn)題，絕大多數(shù)六維力傳感器存在維間耦合問(wèn)題；(4)成本較高，價(jià)格昂
蟲
貝ο

發(fā)明內(nèi)容
相比于多維力傳感器，一維力傳感器的精度做到萬(wàn)分之一并不困難，把低維力傳感器技術(shù)應(yīng)用于六維力傳感器也是機(jī)器人六維力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)之一。本發(fā)明提出了一種利用一維力傳感器集成測(cè)量六維力和力矩的原理，并采用九個(gè)高精度的一維力測(cè)量元件開發(fā)了樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了較低的成本以及較高的測(cè)量精度。本發(fā)明公開了一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，該力矩傳感器通過(guò)將九個(gè)傳感器分為三組分別安裝在三個(gè)安裝座上，安裝座的端部連接有端蓋，X軸連接桿的兩端分別置于兩個(gè)安裝座的通孔內(nèi)，Y軸連接桿置于第三個(gè)安裝座的通孔內(nèi)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的力矩傳感器通過(guò)加載法蘭安裝在載體上。當(dāng)在Y軸連接桿上端進(jìn)行施加壓力時(shí)，T形連接桿受到空間六維力和空間三維正交力矩的作用下，與T形連接桿相接觸的九個(gè)一維觸力傳感器會(huì)受到不同大小的力的作用并各有不同輸出。通過(guò)理論力學(xué)對(duì)該受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得
到九個(gè)一維傳感器的輸出力信息與所施加的六維空間力之間的關(guān)系為g=AxWmX^。
因此只需要測(cè)量九個(gè)一維傳感器的輸出數(shù)值，就可以得到空間六維力的大小。本發(fā)明的一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，該力矩傳感器包括有九個(gè)傳感器、三個(gè)端蓋、三個(gè)安裝座、一個(gè)X軸連接桿(31)、一個(gè)Y軸連接桿(32)、一個(gè)加載法蘭(33)和一個(gè)支撐架(19)；其中，X軸連接桿(31)與Y軸連接桿(32)裝配后構(gòu)成T形連接桿；九個(gè)傳感器是指第一傳感器(21)、第二傳感器(22)、第三傳感器(23)、第四傳感器(24)、第五傳感器(25)、第六傳感器(26)、第七傳感器(27)、第八傳感器(28)、第九傳感器(29)；其中，第一傳感器(21)、第二傳感器(22)和第三傳感器(23)構(gòu)成第一組傳感器；第四傳感器(24)、第五傳感器(25)和第六傳感器(26)構(gòu)成第二組傳感器；第七傳感器 (27)、第八傳感器(28)和第九傳感器(29)構(gòu)成第三組傳感器；第一組傳感器與第二組傳感器置于X軸連接桿(31)的兩端，第三組傳感器置于Y軸連接桿(32)上；
三個(gè)端蓋是指第一端蓋(11)、第二端蓋(13)和第三端蓋(15)；三個(gè)安裝座是指第一安裝座(12)、第二安裝座(14)和第三安裝座(16)；支撐架(19)由A 外殼(17)和B外殼(18)對(duì)接后構(gòu)成；支撐架(19)的A側(cè)板面(192)上安裝有第一安裝座(12)的連接盤(12D)，第一安裝座(12)的另一端上連接有第一端蓋(11)；支撐架(19)的B側(cè)板面(193)上安裝有第二安裝座(14)的連接盤(14D)，第二安裝座(14)的另一端上連接有第二端蓋(13)；支撐架(19)的上板面(191)上安裝有第三安裝座(16)的連接盤(16D)，第三安裝座(16)的另一端上連接有第三端蓋(15)；第一安裝座(12)的A三邊形盲孔(12A)內(nèi)安裝有第一傳感器(21)、第二傳感器 (22)和第三傳感器(23)；且第一安裝座(12)的H通孔(12F)用于X軸連接桿(31)的一端穿過(guò)；第一傳感器(21)通過(guò)A鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與X軸連接桿(31)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第二安裝座(14)的B三邊形盲孔(14A)內(nèi)安裝有第四傳感器(24)、第五傳感器 (25)和第六傳感器(26)；且第二安裝座(14)的H通孔(14F)用于X軸連接桿(31)的另一端穿過(guò)；第四傳感器(24)通過(guò)B鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與X軸連接桿(31)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第三安裝座(16)的C三邊形盲孔(16A)內(nèi)安裝有第七傳感器(27)、第八傳感器 (28)和第九傳感器(29)；且第三安裝座(16)的H通孔(16F)用于X軸連接桿(31)的一端穿過(guò)；第七傳感器(27)通過(guò)C鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與Y軸連接桿(32)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第三端蓋(15)的上方安裝有加載法蘭(33)，加載法蘭(33)的中心是沉頭通孔 (33A)，該沉頭通孔(33A)用于放置長(zhǎng)螺釘(33B)，該長(zhǎng)螺釘(33B)的一端穿過(guò)加載法蘭 (33)的沉頭通孔(33A)后連接在Y軸連接桿(32)的上端的螺紋孔(32D)內(nèi)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于①將每三個(gè)傳感器安裝在一個(gè)安裝座上，且呈120度布局，受力均衡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 對(duì)機(jī)械加工和裝配要求低，保證了本發(fā)明傳感器的測(cè)量精度。②通過(guò)安裝座的圓柱體上通孔內(nèi)的鎖緊螺釘，可以方便的調(diào)節(jié)傳感器與T形連接軸的預(yù)緊力。③利用T形組合連接軸，實(shí)現(xiàn)了三組傳感器對(duì)于六維力和力矩的測(cè)量，同時(shí)使得本發(fā)明的傳感器的尺寸緊湊，整體外部尺寸最小為55mm X50mm X30mm。④選用九個(gè)一維觸力傳感器進(jìn)行笛卡爾空間六維力和力矩的測(cè)量，降低了本發(fā)明傳感器的噪聲，提高了抗干擾能力。⑤本發(fā)明的設(shè)計(jì)的傳感器具有靈活性，可以測(cè)量不同維度的加載力。


圖1是本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器的外部結(jié)構(gòu)圖。 圖IB是本發(fā)明支撐架的結(jié)構(gòu)。圖IA是本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器的分解結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明X軸連接桿和Y軸連接桿的結(jié)構(gòu)圖。圖2A是本發(fā)明Y軸連接桿的另一視角結(jié)構(gòu)圖。圖3A是本發(fā)明的第一端蓋的結(jié)構(gòu)圖。
圖3B是本發(fā)明的第二端蓋的結(jié)構(gòu)圖。圖3C是本發(fā)明的第三端蓋的結(jié)構(gòu)圖。圖4A是本發(fā)明第一安裝座的結(jié)構(gòu)圖。圖4B是本發(fā)明第一安 裝座的另一視角結(jié)構(gòu)圖。圖4C是本發(fā)明第二安裝座的結(jié)構(gòu)圖。圖4D是本發(fā)明第二安裝座的另一視角結(jié)構(gòu)圖。圖4E是本發(fā)明第三安裝座的結(jié)構(gòu)圖。圖4F是本發(fā)明第三安裝座的另一視角結(jié)構(gòu)圖。圖5是本發(fā)明力矩傳感器在X軸和Y軸上加載力與合力的關(guān)系圖。圖5A是本發(fā)明第一組傳感器受力時(shí)的合力關(guān)系圖。圖5B是本發(fā)明第二組傳感器受力時(shí)的合力關(guān)系圖。圖5C是本發(fā)明第三組傳感器受力時(shí)的合力關(guān)系圖。圖5D是三組傳感器在X軸和Y軸上的安裝位置關(guān)系圖。圖中11.第一端蓋11A.A環(huán)形空腔11B.C通孔11C.A凸圓柱12.第一安裝座12A. A三邊形盲孔12B. B螺紋孔12C. A緊釘孔12D.連接盤12E. G通孔12F. H通孔12G. A矩形孔12H. B矩形孔121. C矩形孔12J.圓柱體13.第二端蓋13A. B環(huán)形空腔13B. D通孔13C. B凸圓柱14.第二安裝座14A. B三邊形盲孔14B. C螺紋孔14C. B緊釘孔14D.連接盤14E. I 通孔14F. J通孔14G. D矩形孔14H. E矩形孔141. F矩形孔14J.圓柱體15.第三端蓋15A. C環(huán)形空腔15B. E通孔15C. C凸圓柱15D. F通孔16.第三安裝座16A. C三邊形盲孔16B. D 螺紋孔16C. C緊釘孔16D.連接盤16E. K通孔16F. L通孔16G. G矩形孔16H. H矩形孔161. I矩形孔16J.圓柱體16K.沉頭腔16L.中間板17. A外殼18. B外殼19.支撐架19A.A合并圓孔19B.B合并圓孔19C. C合并圓孔191.上板面192. A側(cè)板面193. B側(cè)板面21.第一傳感器22.第二傳感器23.第三傳感器24.第四傳感器25.第五傳感器26.第六傳感器27.第七傳感器28.第八傳感器29.第九傳感器31. X軸連接桿31A.定位臺(tái)32. Y軸連接桿32A. A通孔32B.鎖緊螺釘32C. B通孔32D. A螺紋孔33.加載法蘭33A.沉頭通孔33B.長(zhǎng)螺釘
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1、圖IA所示，本發(fā)明的一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，該力矩傳感器包括有九個(gè)傳感器(第一傳感器21、第二傳感器22、第三傳感器23、第四傳感器 24、第五傳感器25、第六傳感器26、第七傳感器27、第八傳感器28、第九傳感器29)、三個(gè)端蓋(第一端蓋11、第二端蓋13、第三端蓋15)、三個(gè)安裝座(第一安裝座12、第二安裝座14、 第三安裝座16)、一個(gè)X軸連接桿31、一個(gè)Y軸連接桿32、一個(gè)加載法蘭33和一個(gè)支撐架 19。其中，X軸連接桿31與Y軸連接桿32裝配后構(gòu)成T形連接桿。在本發(fā)明中，九個(gè)傳感器選用Honeywell (霍尼韋爾)公司生產(chǎn)的FSS 1500NST型號(hào)力傳感器。在本發(fā)明中，第一傳感器21、第二傳感器22和第三傳感器23構(gòu)成第一組傳感器； 第四傳感器24、第五傳感器25和第六傳感器26構(gòu)成第二組傳感器；第七傳感器27、第八傳感器28和第九傳感器29構(gòu)成第三組傳感器；第一組傳感器與第二組傳感器置于X軸連接桿31的兩端，第三組傳感器置于Y軸連接桿32上。 在本發(fā)明中，第一安裝座12與第二安裝座14的結(jié)構(gòu)相同。第三安裝座16與第一安裝座12、第二安裝座14的不同之處在于第三安裝座的另一端(連接盤端)設(shè)有空腔，該空腔用于16)的結(jié)構(gòu)相同。在本發(fā)明中，第一端蓋11與第二端蓋13的結(jié)構(gòu)相同。第三端蓋15與第一端蓋 11、第二端蓋13的不同之處在于第三端蓋15的中心設(shè)有F通孔15D。該F通孔15D用于Y 軸連接桿32的上端穿過(guò)。(一 )支撐架參見(jiàn)圖1、圖IA所示，支撐架19由A殼體17和B殼體18對(duì)接后構(gòu)成。支撐架19 的兩側(cè)為A側(cè)板面192、B側(cè)板面193，支撐架19的上方是C板面191 ；A側(cè)板面192上設(shè)有 A合并圓孔19A，B側(cè)板面193上設(shè)有B合并圓孔19B，C板面191上設(shè)有C合并圓孔19C，支撐架19的中心是空腔19D，該空腔19D用于放置T形連接桿的接合處。X軸連接桿31的一端穿過(guò)A合并圓孔19A，X軸連接桿31的另一端穿過(guò)B合并圓孔19B ；Y軸連接桿32的上端穿過(guò)C合并圓孔19C。支撐架19的A側(cè)板面192上安裝有第一安裝座12 ；支撐架19的B側(cè)板面193上安裝有第二安裝座14 ；支撐架19的C板面191上安裝有第三安裝座16。在本發(fā)明中，支撐架19能夠支撐起力矩傳感器X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向的安裝座。(二)X軸連接桿31參見(jiàn)圖1A、圖2所示，X軸連接桿31上設(shè)有定位臺(tái)31A，該定位臺(tái)3IA能夠起到限位的作用。(三)Y軸連接桿32參見(jiàn)圖1A、圖2、圖2A所示，Y軸連接桿32的頂部設(shè)有A螺紋孔32D，該A螺紋孔 32D通過(guò)與一螺釘?shù)倪B接實(shí)現(xiàn)將加載法蘭33安裝在Y軸連接桿32的頂部；Y軸連接桿32的下端設(shè)有A通孔32A，該A通孔32A用于X軸連接桿31的一端穿過(guò)，且使X軸連接桿31上的定位臺(tái)31A與Y軸連接桿32的下端端面接觸；Y軸連接桿32的底部設(shè)有B通孔32C，該B通孔32C用于放置鎖緊螺釘32B ；鎖緊螺釘32B用于頂緊X軸連接桿31，實(shí)現(xiàn)X軸連接桿31與Y軸連接桿32下端的連接。在本發(fā)明中，X軸連接桿31與Y軸連接桿32的裝配構(gòu)成了 T形連接桿。(四)加載法蘭33參見(jiàn)圖1、圖IA所示，加載法蘭33中心設(shè)有沉頭通孔33A，該沉頭孔33A用于放置長(zhǎng)螺釘33B。長(zhǎng)螺釘33B的一端穿過(guò)加載法蘭33上的沉頭通孔33A、第三端蓋15的F通孔15D 后，螺紋連接在Y軸連接桿32頂部的A螺紋孔32D內(nèi)。在本發(fā)明中，通過(guò)加載法蘭33實(shí)現(xiàn)將本發(fā)明的力矩傳感器與所需測(cè)量力矩的載體進(jìn)行安裝。(五)第一端蓋11參見(jiàn)圖1、圖1A、圖3A所示，第一端蓋11為一體成型加工件，第一端蓋11的端面上設(shè)有多個(gè)C通孔11B，該C通孔1IB用于放置螺釘，通過(guò)螺釘實(shí)現(xiàn)第一端蓋11與第一安裝座12 —端的連接；第一端蓋11的底端設(shè)有A環(huán)形空腔IlA和A凸圓柱11C，該A環(huán)形空腔 IlA用于放置第一安裝座12的一端，該A凸圓柱IlC置于第一安裝座12的通孔內(nèi)。(六)第一安 裝座12參見(jiàn)圖1、圖1A、圖4A、圖4B所示，第一安裝座12為一體成型加工件，第一安裝座 12的一端為連接盤12D，第一安裝座12的另一端為圓柱體12J，該圓柱體12J上設(shè)有A緊釘孔12C，該A緊釘孔12C用于放置A鎖緊螺釘；第一安裝座12的連接盤12D上設(shè)有G通孔12E，該G通孔12E通過(guò)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)將第一安裝座12連接在支撐架19 (A外殼17和B外殼18對(duì)接后構(gòu)成支撐架19)的A 側(cè)板面192上；第一安裝座12的圓柱體12J的端面上設(shè)有B螺紋孔12B，該B螺紋孔12B與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)第一端蓋11安裝在第一安裝座12的圓柱體端面上；第一安裝座12的圓柱體12J的中心設(shè)有A三邊形盲孔12A，該A三邊形盲孔12A 的中心為H通孔12F ；該A三邊形盲孔12A用于放置第一傳感器21、第二傳感器22、第三傳感器23 ；該H通孔12F用于X軸連接桿31的一端穿過(guò)；另外，該三邊形盲孔12A延伸至連接盤12D的盤面上時(shí)分別為A矩形孔12G、B矩形孔12H、C矩形孔121 ；A矩形孔12G、B矩形孔12H和C矩形孔121能夠起到對(duì)安裝的三個(gè)傳感器(第一傳感器21、第二傳感器22、 第三傳感器23)的位置進(jìn)行限定。A矩形孔12G用于卡緊放置第一傳感器21的一端。B矩形孔12H用于卡緊放置第二傳感器22的一端。C矩形孔121用于卡緊放置第三傳感器23的一端。(七)第二端蓋13參見(jiàn)圖1、圖1A、圖3B所示，第二端蓋13為一體成型加工件，第二端蓋13的端面上設(shè)有多個(gè)D通孔13B，該D通孔13B用于放置螺釘，通過(guò)螺釘實(shí)現(xiàn)第二端蓋13與第二安裝座14 一端的連接；第二端蓋13的底端設(shè)有B環(huán)形空腔13A和B凸圓柱13C，該B環(huán)形空腔 13A用于放置第二安裝座14的一端，該B凸圓柱13C置于第二安裝座14的通孔內(nèi)。(八)第二安裝座14參見(jiàn)圖1、圖1A、圖4C、圖4D所示，第二安裝座14為一體成型加工件，第二安裝座 14的一端為連接盤14D，第二安裝座14的另一端為圓柱體14J，該圓柱體14J上設(shè)有B緊釘孔14C，該B緊釘孔14C用于放置一緊頂釘；第二安裝座14的連接盤14D上設(shè)有I通孔14E，該I通孔14E通過(guò)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)將第二安裝座14連接在支撐架19 (A外殼17和B外殼18對(duì)接后構(gòu)成支撐架19)的B 側(cè)板面193上；第二安裝座14的圓柱體14J的端面上設(shè)有C螺紋孔14B，該C螺紋孔14B與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)第二端蓋13安裝在第二安裝座14的圓柱體端面上；第二安裝座14的圓柱體14J的中心設(shè)有B三邊形盲孔14A，該B三邊形盲孔14A 的中心為J通孔14F ；該B三邊形盲孔14A用于放置第四傳感器24、第五傳感器25、第六傳感器26 ；該J通孔14F用于X軸連接桿31的另一端穿過(guò)；另外，該B三邊形盲孔14A延伸至連接盤14D的盤面上時(shí)分別為D矩形孔14G、E矩形孔14H、F矩形孔141 ；D矩形孔14G、 E矩形孔14H和F矩形孔141能夠起到對(duì)安裝的三個(gè)傳感器(第四傳感器24、第五傳感器25、第六傳感器26)的位置進(jìn)行限定。D矩形孔14G用于卡緊放置第四傳感器24的一 端。E矩形孔14H用于卡緊放置第五傳感器25的一端。F矩形孔141用于卡緊放置第六傳感器26的一端。(九)第三端蓋I5參見(jiàn)圖1、圖1A、圖3C所示，第三端蓋15為一體成型加工件，第三端蓋15的端面上設(shè)有多個(gè)E通孔15B，該E通孔15B用于放置螺釘，通過(guò)螺釘實(shí)現(xiàn)第三端蓋15與第三安裝座16 —端的連接；第三端蓋15的底端設(shè)有C環(huán)形空腔15A和C凸圓柱15C，該C環(huán)形空腔 15A用于放置第三安裝座16的一端，該C凸圓柱15C置于第三安裝座16的通孔內(nèi)。(十)第三安裝座16參見(jiàn)圖1、圖1A、圖4E、圖4F所示，第三安裝座16為一體成型加工件，第三安裝座 16的一端為連接盤16D，第三安裝座16的另一端為圓柱體16J，該圓柱體16J上設(shè)有C緊釘孔16C，該C緊釘孔16C用于放置一緊頂釘；第三安裝座16的連接盤16D上設(shè)有沉頭腔16K、K通孔16Ε，該K通孔16Ε通過(guò)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)將第三安裝座16連接在支撐架19 (Α外殼17和B外殼18對(duì)接后構(gòu)成支撐架19)的C板面191上；第三安裝座16的圓柱體16J的端面上設(shè)有D螺紋孔16Β，該D螺紋孔16Β與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)第三端蓋15安裝在第三安裝座16的圓柱體端面上；第三安裝座16的圓柱體16J的中心設(shè)有C三邊形盲孔16Α、中間板16L，該C三邊形盲孔16Α的中心為L(zhǎng)通孔16F ；該C三邊形盲孔16Α用于放置第七傳感器27、第八傳感器28、第九傳感器29 ；該L通孔16F用于Y軸連接桿32的上端穿過(guò)；另外，該C三邊形盲孔 16Α延伸至中間板16L的盤面上時(shí)分別為G矩形孔16G、H矩形孔16H、I矩形孔161 ；G矩形孔16G、H矩形孔16H和I矩形孔161能夠起到對(duì)安裝的三個(gè)傳感器(第七傳感器27、第八傳感器28、第九傳感器29)的位置進(jìn)行限定。G矩形孔16G用于卡緊放置第七傳感器27的一端。H矩形孔16H用于卡緊放置第八傳感器28的一端。I矩形孔161用于卡緊放置第九傳感器29的一端。本發(fā)明的一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，該力矩傳感器的安裝連接關(guān)系為支撐架19由A外殼17和B外殼18對(duì)接后構(gòu)成；支撐架19的A側(cè)板面192上安裝有第一安裝座12的連接盤12D，第一安裝座12 的另一端上連接有第一端蓋11;支撐架19的B側(cè)板面193上安裝有第二安裝座14的連接盤14D，第二安裝座14 的另一端上連接有第二端蓋13 ；支撐架19的上板面191上安裝有第三安裝座16的連接盤16D，第三安裝座16的
另一端上連接有第三端蓋15 ；第一安裝座12的A三邊形盲孔12A內(nèi)安裝有第一傳感器21、第二傳感器22和第三傳感器23 ；且第一安裝座12的H通孔12F用于X軸連接桿31的一端穿過(guò)；第一傳感器 21通過(guò)A鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與X軸連接桿31的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第二安裝座14的B三邊形盲孔14A內(nèi)安裝有第四傳感器24、第五傳感器25和第六傳感器26 ；且第二安裝座14的J通孔14F用于X軸連接桿31的另一端穿過(guò)；第四傳感器24通過(guò)B鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與X軸連接桿31的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第三安裝座16的C三邊形盲孔16A內(nèi)安裝有第七傳感器27、第八傳感器28和第九傳感器29 ；且第三安裝座16的L通孔16F用于X軸連接桿31的一端穿過(guò)；第七傳感器 27通過(guò)C鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與Y軸連接桿32的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；

第三端蓋15的上方安裝有加載法蘭33，加載法蘭33的中心是沉頭通孔33A，該沉頭通孔33A用于放置長(zhǎng)螺釘33B，該長(zhǎng)螺釘33B的一端穿過(guò)加載法蘭33的沉頭通孔33A后連接在Y軸連接桿32的上端的螺紋孔32D內(nèi)。參見(jiàn)圖5、圖5A、圖5B、圖5C所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，該力矩傳感器的三維坐標(biāo)系OXYZ定義為X軸連接桿31的軸向方向?yàn)榱貍鞲衅鞯腦軸，Y軸連接桿32的縱向方向?yàn)榱貍鞲衅鞯腨軸，建立右手笛卡爾坐標(biāo)系，則有六維空間力分別是指受力端所施加的空間三維正交力(Fx, FY, Fz)和空間三維正交力矩(Tx, TY, Tz)。Fx表示X軸上所施加的正交力；FY表示Y軸上所施加的正交力；FZ表示X軸上所施加的正交力；Tx表示X軸上所施加的正交力矩；TY表示Y軸上所施加的正交力矩；τζ表示 X軸上所施加的正交力矩。當(dāng)在Y軸連接桿32上端進(jìn)行施加壓力時(shí)，T形連接桿受到空間六維力(空間三維正交力(Fx，F(xiàn)Y, Fz)和空間三維正交力矩(Tx，TY, Yz))的作用下，與T形連接桿相接觸的九個(gè)一維力傳感器會(huì)受到不同大小的力的作用并各有不同輸出。通過(guò)理論力學(xué)對(duì)該受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得了九個(gè)一維力傳感器的輸出力信息與所施加的六維空間力之間的關(guān)系
^X^ (簡(jiǎn)稱為一維力輸出與六維空間力關(guān)系)。因此只需要測(cè)量九個(gè)一維傳感
11JPH ^
器的輸出數(shù)值，就可以得到空間六維力的大小。在本發(fā)明中，斤中的云表示施加的六維空間力矢量，簡(jiǎn)稱為加載
11J PH ^t
力矢量；€表示傳感器輸出的壓力矢量，簡(jiǎn)稱為壓力矢量;AM表示六維空間力的合成矩陣，P表示合成矩陣中的行數(shù)，q表示合成矩陣中的列數(shù)；BU表示靜力平衡矩陣，i表示靜力平衡矩陣中的行數(shù)，j表示靜力平衡矩陣中的列數(shù)。下面將具體說(shuō)明本發(fā)明設(shè)計(jì)的力矩傳感器的工作原理在本發(fā)明中，加載力矢量記為兵( =[巧Fy F2 Tx Ty Γζ]Γ)，九個(gè)一維傳感
器的輸出壓力矢量記為片(廷=[5 F2 F3 F4 F5 F6 F1 Fs F9f) οF1表示第一傳感器21輸出的壓力矢量；F2表示第二傳感器22輸出的壓力矢量；F3 表示第三傳感器23輸出的壓力矢量；F4表示第四傳感器24輸出的壓力矢量；F5表示第五傳感器25輸出的壓力矢量；F6表示第六傳感器26輸出的壓力矢量；F7表示第七傳感器27 輸出的壓力矢量；F8表示第八傳感器28輸出的壓力矢量；F9表示第九傳感器29輸出的壓力矢量。如圖5A、圖5B、圖5C所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的力矩傳感器所在坐標(biāo)OXYX中，將第一傳感器21、第二傳感器22和第三傳感器23的壓力矢量沿OXYX坐標(biāo)的X軸進(jìn)行力的合成，則有？工、^、。合成為Fyl和Fzl ；將第四傳感器24、第五傳感器25和第六傳感器26的壓力矢量沿OXYX坐標(biāo)的X軸進(jìn)行力的合成，則有F4、F5、F6合成為Fy2和Fz2 ； 將第七傳感器27、第八傳感器28和第九傳感器29的壓力矢量沿OXYX坐標(biāo)的Y軸進(jìn)行力的合成，則有F7、F8、F9合成為Fx3和Fz3。在本發(fā)明中，合成力矢量記為式(芑=[ Fzl Fy2 Fz2 Fx3 Fz3J), 則有 P 與 F 存在的關(guān)系為 Pm=Av^Fs ， 且
權(quán)利要求
1.一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，其特征在于該力矩傳感器包括有九個(gè)傳感器、三個(gè)端蓋、三個(gè)安裝座、一個(gè)X軸連接桿(31)、一個(gè)Y軸連接桿(32)、一個(gè)加載法蘭(33)和一個(gè)支撐架(19)；其中，X軸連接桿(31)與Y軸連接桿(32)裝配后構(gòu)成T形連接桿； 九個(gè)傳感器是指第一傳感器(21)、第二傳感器(22)、第三傳感器(23)、第四傳感器 (24)、第五傳感器(25)、第六傳感器(26)、第七傳感器(27)、第八傳感器(28)、第九傳感器 (29)；其中，第一傳感器(21)、第二傳感器(22)和第三傳感器(23)構(gòu)成第一組傳感器；第四傳感器(24)、第五傳感器(25)和第六傳感器(26)構(gòu)成第二組傳感器；第七傳感器(27)、 第八傳感器(28)和第九傳感器(29)構(gòu)成第三組傳感器；第一組傳感器與第二組傳感器置于X軸連接桿(31)的兩端，第三組傳感器置于Y軸連接桿(32)上； 三個(gè)端蓋是指第一端蓋(11)、第二端蓋(13)和第三端蓋(15)； 三個(gè)安裝座是指第一安裝座(12)、第二安裝座(14)和第三安裝座(16)； 支撐架(19)由A外殼(17)和B外殼(18)對(duì)接后構(gòu)成；支撐架(19)的A側(cè)板面(192)上安裝有第一安裝座(12)的連接盤(12D)，第一安裝座 (12)的另一端上連接有第一端蓋(11)；支撐架(19)的B側(cè)板面(193)上安裝有第二安裝座(14)的連接盤(14D)，第二安裝座 (14)的另一端上連接有第二端蓋(13)；支撐架(19)的上板面(191)上安裝有第三安裝座(16)的連接盤(16D)，第三安裝座 (16)的另一端上連接有第三端蓋(15)；第一安裝座(12)的A三邊形盲孔(12A)內(nèi)安裝有第一傳感器(21)、第二傳感器(22) 和第三傳感器(23)；且第一安裝座(12)的H通孔(12F)用于X軸連接桿(31)的一端穿過(guò)； 第一傳感器(21)通過(guò)A鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與X軸連接桿(31)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第二安裝座(14)的B三邊形盲孔(14A)內(nèi)安裝有第四傳感器(24)、第五傳感器(25) 和第六傳感器(26)；且第二安裝座(14)的H通孔(14F)用于X軸連接桿(31)的另一端穿過(guò)；第四傳感器(24)通過(guò)B鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與X軸連接桿(31)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第三安裝座(16)的C三邊形盲孔(16A)內(nèi)安裝有第七傳感器(27)、第八傳感器(28) 和第九傳感器(29)；且第三安裝座(16)的H通孔(16F)用于X軸連接桿(31)的一端穿過(guò)； 第七傳感器(27)通過(guò)C鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)與Y軸連接桿(32)的預(yù)緊力調(diào)節(jié)；第三端蓋(15)的上方安裝有加載法蘭(33)，加載法蘭(33)的中心是沉頭通孔(33A)， 該沉頭通孔(33A)用于放置長(zhǎng)螺釘(33B)，該長(zhǎng)螺釘(33B)的一端穿過(guò)加載法蘭(33)的沉頭通孔(33A)后連接在Y軸連接桿(32)的上端的螺紋孔(32D)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，其特征在于X軸連接桿(31)上設(shè)有定位臺(tái)(31A)，該定位臺(tái)(31A)能夠起到限位的作用；Y軸連接桿(32)的頂部設(shè)有A螺紋孔(32D)；Y軸連接桿(32)的下端設(shè)有A通孔(32A)，該A通孔(32A)用于X軸連接桿(31)的一端穿過(guò)，且使X軸連接桿(31)上的定位臺(tái)(31A)與Y軸連接桿(32)的下端端面接觸；Y軸連接桿(32)的底部設(shè)有B通孔(32C)，該B通孔(32C)用于放置鎖緊螺釘(32B)； 鎖緊螺釘(32B)用于頂緊X軸連接桿(31)，實(shí)現(xiàn)X軸連接桿(31)與Y軸連接桿(32)下端的連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，其特征在于第一安裝座(12)的一端為連接盤(12D)，第一安裝座(12)的另一端為圓柱體(12J)，該圓柱體 (12J)上設(shè)有A緊釘孔(12C)，該A緊釘孔(12C)用于放置A鎖緊螺釘；第一安裝座(12)的連接盤(12D)上設(shè)有G通孔(12E)，該G通孔(12E)通過(guò)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)將第一安裝座(12)連接在支撐架(19)的A側(cè)板面(192)上；第一安裝座(12)的圓柱體(12J)的端面上設(shè)有B螺紋孔(12B)，該B螺紋孔(12B)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)第一端蓋(11)安裝在第一安裝座(12)的圓柱體端面上；第一安裝座(12)的圓柱體(12J)的中心設(shè)有A三邊形盲孔(12A)，該A三邊形盲孔 (12A)的中心為H通孔(12F)；該A三邊形盲孔(12A)用于放置第一傳感器(21)、第二傳感器(22)、第三傳感器(23)；該H通孔(12F)用于X軸連接桿(31)的一端穿過(guò)；另外，該三邊形盲孔(12A)延伸至連接盤(12D)的盤面上時(shí)分別為A矩形孔(12G)、B矩形孔(12H)、C矩形孔(121) ；A矩形孔(12G)、B矩形孔(12H)和C矩形孔(121)能夠起到對(duì)安裝的三個(gè)傳感器的位置進(jìn)行限定；A矩形孔(12G)用于卡緊放置第一傳感器(21)的一端；B矩形孔(12H) 用于卡緊放置第二傳感器(22)的一端；C矩形孔(121)用于卡緊放置第三傳感器(23)的一端；第二安裝座(14)的一端為連接盤(14D)，第二安裝座(14)的另一端為圓柱體(14J)， 該圓柱體(14J)上設(shè)有B緊釘孔(14C)，該B緊釘孔(14C)用于放置B鎖緊螺釘；第二安裝座(14)的連接盤(14D)上設(shè)有I通孔(14E)，該I通孔(14E)通過(guò)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)將第二安裝座(14)連接在支撐架(19)的B側(cè)板面(193)上；第二安裝座(14)的圓柱體(14J)的端面上設(shè)有C螺紋孔(14B)，該C螺紋孔(14B)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)第二端蓋(13)安裝在第二安裝座(14)的圓柱體端面上；第二安裝座(14)的圓柱體(14J)的中心設(shè)有B三邊形盲孔(14A)，該B三邊形盲孔 (14A)的中心為J通孔(14F)；該B三邊形盲孔(14A)用于放置第四傳感器(24)、第五傳感器(25)、第六傳感器(26)；該J通孔(14F)用于X軸連接桿(31)的另一端穿過(guò)；另外，該B 三邊形盲孔(14A)延伸至連接盤(14D)的盤面上時(shí)分別為D矩形孔(14G)、E矩形孔(14H)、 F矩形孔(141) ；D矩形孔(14G)、E矩形孔(14H)和F矩形孔(141)能夠起到對(duì)安裝的三個(gè)傳感器的位置進(jìn)行限定；D矩形孔(14G)用于卡緊放置第四傳感器(24)的一端；E矩形孔(14H)用于卡緊放置第五傳感器(25)的一端；F矩形孔(141)用于卡緊放置第六傳感器(26)的一端；第三安裝座(16)的一端為連接盤(16D)，第三安裝座(16)的另一端為圓柱體(16J)， 該圓柱體(16J)上設(shè)有C緊釘孔(16C)，該C緊釘孔(16C)用于放置C鎖緊螺釘；第三安裝座(16)的連接盤(16D)上設(shè)有沉頭腔(16K)、K通孔(16Ε)，該K通孔(16Ε) 通過(guò)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)將第三安裝座(16)連接在支撐架(19)的上板面(191)上；第三安裝座(16)的圓柱體(16J)的端面上設(shè)有D螺紋孔(16Β)，該D螺紋孔(16Β)與螺釘?shù)呐浜蠈?shí)現(xiàn)第三端蓋(15)安裝在第三安裝座(16)的圓柱體端面上；第三安裝座(16)的圓柱體(16J)的中心設(shè)有C三邊形盲孔(16Α)、中間板(16L)，該 C三邊形盲孔(16Α)的中心為L(zhǎng)通孔(16F)；該C三邊形盲孔(16Α)用于放置第七傳感器(27)、第八傳感器(28)、第九傳感器(29)；該L通孔(16F)用于Y軸連接桿(32)的上端穿過(guò)；另外，該C三邊形盲孔(16Α)延伸至中間板(16L)的盤面上時(shí)分別為G矩形孔(16G)、H矩形孔(16H)、I矩形孔(161) ；G矩形孔(16G)、H矩形孔(16H)和I矩形孔(161)能夠起到對(duì)安裝的三個(gè)傳感器的位置進(jìn)行限定；G矩形孔(16G)用于卡緊放置第七傳感器(27)的一端；H矩形孔(16H)用于卡緊放置第八傳感器(28)的一端；I矩形孔(161)用于卡緊放置第九傳感器(29)的一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，其特征在于九個(gè)傳感器選用Honeywell (霍尼韋爾)公司生產(chǎn)的FSS1500NST型號(hào)力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，其特征在于當(dāng)在 Y軸連接桿(32)上端進(jìn)行施加壓力時(shí)，T形連接桿受到空間三維正交力(FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z)和空間三維正交力矩(Tx，TY, Yz)的作用下，與T形連接桿相接觸的九個(gè)一維力傳感器會(huì)受到不同大小的力的作用并各有不同輸出；通過(guò)理論力學(xué)對(duì)該受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得了一維力輸出與六維空間力關(guān)系^ XJmX^ ；因此只需要測(cè)量九個(gè)一維傳感器的輸出數(shù)值，能夠 得到空間六維力的大??；所述一維力輸出與六維空間力關(guān)系^=萬(wàn),χ Jm χ斤中，^表示施加的六維空間力矢 量表示傳感器輸出的壓力矢量;AM表示六維空間力的合成矩陣，ρ表示合成矩陣中的行數(shù)，q表示合成矩陣中的列數(shù)；BU表示靜力平衡矩陣，i表示靜力平衡矩陣中的行數(shù)，j表示靜力平衡矩陣中的列數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠?qū)崿F(xiàn)六維空間力測(cè)量的力矩傳感器，該力矩傳感器通過(guò)將九個(gè)傳感器分為三組分別安裝在三個(gè)安裝座上，安裝座的端部連接有端蓋，X軸連接桿的兩端分別置于兩個(gè)安裝座的通孔內(nèi)，Y軸連接桿置于第三個(gè)安裝座的通孔內(nèi)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的力矩傳感器通過(guò)加載法蘭安裝在載體上。當(dāng)在Y軸連接桿上端進(jìn)行施加壓力時(shí)，T形連接桿受到空間六維力和空間三維正交力矩的作用下，與T形連接桿相接觸的九個(gè)一維觸力傳感器會(huì)受到不同大小的力的作用并各有不同輸出。通過(guò)理論力學(xué)對(duì)該受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到九個(gè)一維傳感器的輸出力信息與所施加的六維空間力之間的關(guān)系為因此只需要測(cè)量九個(gè)一維傳感器的輸出數(shù)值，就可以得到空間六維力的大小。
文檔編號(hào)G01L1/18GK102353482SQ201110190280
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者于佳琦, 張玉茹, 徐牧, 方磊, 王黨校 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)