雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器，由上十字梁彈性體和下十字梁彈性體組合而成，上十字梁彈性體包括四根上彈性梁、一個上中心加載軸、四個上固定臺和四根上浮動梁，下十字梁彈性體包括一個四根下彈性梁、一個下中心加載軸、一個固定框架和四個下固定臺。上下十字梁彈性體通過一一對應(yīng)的四個固定臺固定，組合成雙十字梁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有的多維力傳感器相比更加微型化，具有較高的靈敏度，適用于機器人指關(guān)節(jié)領(lǐng)域的多維力測量。
【專利說明】雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種六維力傳感器，具體涉及一種雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]六維力傳感器測量的是直角坐標六維空間的六個力或力矩分量(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz),由于它能夠同時感知空間多維力和力矩信息，能更加全面地反映空間力信息，因而非常適合作為感知元件應(yīng)用于機器人領(lǐng)域。智能機器人的感知系統(tǒng)是機器人執(zhí)行作業(yè)的基礎(chǔ)與前提，而多維力傳感器正是感知系統(tǒng)中最為重要的一種傳感器。自上世紀70年代問世以來，多維力傳感器首先在智能機器人領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，多維力傳感器也扮演著越來越重要的作用。
[0003]基于十字形彈性梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式多維力傳感器是該領(lǐng)域最常用的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、靈敏度高、維間串擾小等優(yōu)點。該類型的多維力傳感器被廣泛應(yīng)用于機器人腕部，并且有較好的效果。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，仿人機器人和精細作業(yè)機器人越來越成為研發(fā)熱點，機械手的精細控制越來越依賴于微型多維力傳感器。然而，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多維力傳感器卻不能達到這樣的微型化要求。這主要由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，彈性體上所粘貼的應(yīng)變片數(shù)量較多，受限于應(yīng)變片大小和貼片工藝，多維力傳感器的尺寸達到了瓶頸。
[0004]針對機器人靈巧手的應(yīng)用，國內(nèi)外都有相關(guān)微型多維力傳感器的研究。目前，市場上可以使用的最小的六維力傳感器是ATI公司的NAN017型號的傳感器(直徑17mm，高度14.5mm)0這樣的尺寸已經(jīng)滿足多維力傳感器的微型化要求，可以應(yīng)用到機器人指關(guān)節(jié)。但是該傳感器需要較龐大的信號調(diào)理電路和數(shù)字采集系統(tǒng)，這些模塊使得它在集成度極高的智能機器人上的應(yīng)用受到極大的限制。正在研制的微型多維力傳感器也有很多種，但是大多數(shù)結(jié)構(gòu)復雜，采用的是微機械加工工藝(MEMS)，并且需要進行集成式應(yīng)變計的定制，因此這種方案成本很高。因此，從結(jié)構(gòu)上改進傳感器，研制一種新型結(jié)構(gòu)的多維力傳感器，使之在不需要昂貴的MEMS和集成應(yīng)變計工藝的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)體積上的微型化以及外部電路的靈活化，將會具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種在滿足多維測量的前提下實現(xiàn)微型化，大幅縮小六維力傳感器體積，可應(yīng)用于機器人指關(guān)節(jié)等領(lǐng)域的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器，包括上十字梁彈性體和連接設(shè)置在上十字梁彈性體下方的下十字梁彈性體。上十字梁彈性體包括四根相交于一點的上彈性梁、連接設(shè)置在四根上彈性梁交點上方的上中心加載軸、設(shè)置在上彈性梁外側(cè)端部的四根上浮動梁、設(shè)置在兩相鄰的上浮動梁之間并與其端部連接的四個上固定臺，四根上彈性梁兩兩成90°相交，四個上固定臺對稱分布在上中心加載軸的四周；下十字梁彈性體包括四根相交于一點的下彈性梁、連接設(shè)置在四根下彈性梁交點下方的下中心加載軸、環(huán)繞四根下彈性梁的圓環(huán)形固定框架、均勻設(shè)置在固定框架內(nèi)壁上的四個下固定臺；四根下彈性梁兩兩成90°相交，每根下彈性梁的端部都與固定框架的內(nèi)壁相連，下固定臺與相鄰的兩根下彈性梁等距設(shè)置；四個上固定臺與四個下固定臺一一對應(yīng)設(shè)置，并固定連接成雙十字梁結(jié)構(gòu)，上彈性梁與下彈性梁之間設(shè)置有間隙。
[0007]本發(fā)明的一種優(yōu)選方案中，上彈性梁的橫截面呈正方形；下彈性梁的橫截面呈矩形，下彈性梁為截面矩形的長邊水平設(shè)置的薄片狀。
[0008]本發(fā)明的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器中，上彈性梁上均對稱設(shè)置有位于兩立面水平中線上的兩個第一應(yīng)變片，兩根同軸的上彈性梁上分別對稱設(shè)置有位于上下兩面水平中線上的兩個第二應(yīng)變片，另外兩根同軸的上彈性梁上不設(shè)置第二應(yīng)變片；兩根同軸的上彈性梁上分別對稱設(shè)置有位于兩立面水平中線上的兩個第三應(yīng)變片，第三應(yīng)變片位于第一應(yīng)變片的外側(cè)，另外兩根同軸的上彈性梁上不設(shè)置第三應(yīng)變片；下彈性梁上分別對稱設(shè)置有位于上下兩面水平中線上的兩個第四應(yīng)變片。
[0009]本發(fā)明的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器中，兩根同軸的上彈性梁上設(shè)置的四個第一應(yīng)變片組成一組應(yīng)變片組，應(yīng)變片組中的四個第一應(yīng)變片與上中心加載軸的中軸線等距設(shè)置；兩根同軸的上彈性梁上設(shè)置的四個第二應(yīng)變片組成一組應(yīng)變片組，應(yīng)變片組中的四個第二應(yīng)變片與上中心加載軸的中軸線等距設(shè)置；兩根同軸的上彈性梁上設(shè)置的四個第三應(yīng)變片組成一組應(yīng)變片組，應(yīng)變片組中的四個第三應(yīng)變片與上中心加載軸的中軸線等距設(shè)置；兩根同軸的下彈性梁上設(shè)置的四個第四應(yīng)變片組成一組應(yīng)變片組，應(yīng)變片組中的四個第四應(yīng)變片與下中心加載軸的中軸線等距設(shè)置。
[0010]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0011](I)實現(xiàn)了六維力傳感器的微型化。本發(fā)明采用了組合式雙十字梁結(jié)構(gòu)，通過一一對應(yīng)的四個固定臺將兩個十字梁式彈性體組合為一體，將所需的六維力和力矩分開測量，其中，上十字梁彈性體測量空間X，y, Z方向的力和z方向的力矩；下十字梁彈性體測量空間x，y方向上的力矩。這種方式避免了將所有應(yīng)變片貼覆在同一個彈性體上，貼片引起的空間需求幾乎減半，從而突破了應(yīng)變式多維力傳感器的體積瓶頸。
[0012]( 2 )加工成本低，傳統(tǒng)加工工藝就可以完成。本發(fā)明仍然采用傳統(tǒng)的精密機械加工就能完成的彈性體結(jié)構(gòu)，應(yīng)變計粘貼也采用傳統(tǒng)方式，不需要專門的MEMS工藝和集成應(yīng)變計工藝。因此，本發(fā)明不僅大大降低了成本，還擴大了應(yīng)用范圍，不因沒有加工場所而無法研制和應(yīng)用。
[0013](3)提高了力矩測量的靈敏度。普通的多維力傳感器往往測量力矩的靈敏度低于測力的靈敏度。本發(fā)明中，x，y方向的力矩由下十字梁彈性體測量，它的彈性梁呈薄片狀，形變更加明顯，從而提高了力矩測量的靈敏度。
[0014]( 4 )雙加載軸的設(shè)計，尤其適用于機器人指關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。本發(fā)明的上下彈性體組合后，上下各有一個中心加載軸，從而可以同時從兩個方向感應(yīng)空間力和力矩，測量疊加后的力和力矩，無需單端固定。這種測量方式尤其適用于關(guān)節(jié)，結(jié)合本發(fā)明微型化的優(yōu)勢，在機器人指關(guān)節(jié)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖。[0016]圖2為本發(fā)明的傳感器上十字梁彈性體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的傳感器下十字梁彈性體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的傳感器上十字梁彈性體貼片位置示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的傳感器的第一應(yīng)變片位置示意圖
[0020]圖6為本發(fā)明的傳感器的第二應(yīng)變片位置示意圖
[0021]圖7為本發(fā)明的傳感器的第三應(yīng)變片位置示意圖
[0022]圖8為本發(fā)明的傳感器下十字梁彈性體貼片位置示意圖(正面)。
[0023]圖9為本發(fā)明的傳感器下十字梁彈性體貼片位置示意圖(背面)。
[0024]圖10為本發(fā)明的傳感器應(yīng)用于機器人指關(guān)節(jié)的裝配示意圖。
[0025]圖中有:上十字梁彈性體1、下十字梁彈性體2、上彈性梁11、上中心加載軸12、上固定臺13、上浮動梁14、第一應(yīng)變片15、第二應(yīng)變片16、第三應(yīng)變片17、下彈性梁21、下中心加載軸22、固定框架23、下固定臺24、第四應(yīng)變片25。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍。在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等同形式的修改和替換均落于本申請權(quán)利要求所限定的保護范圍。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器包括均為整體式結(jié)構(gòu)的上十字梁彈性體I和下十字梁彈性體2。如圖2所示，上十字梁彈性體I包括四根上彈性梁11、一個上中心加載軸12、四個上固定臺13以及四根上浮動梁14。四根上彈性梁11相交于一點，兩兩相交成90°，橫截面為正方形；上中心加載軸12連接在上彈性梁11的交點上方；四根上浮動梁14設(shè)置在上彈性梁11的外側(cè)端部；四個上固定臺13分別設(shè)置在兩相鄰的上浮動梁14之間。四個上固定臺13均勻地分布在上中心加載軸12的四周。如圖3所示，下十字梁彈性體2包括四根相交于一點的下彈性梁21、連接設(shè)置在四根下彈性梁21交點上方的下中心加載軸22、環(huán)繞四根下彈性梁21的圓環(huán)形固定框架23、均勻設(shè)置在固定框架23內(nèi)壁上的四個下固定臺24。四根下彈性梁21兩兩成90°相交，其橫截面呈矩形，下彈性梁21為界面矩形的長邊水平設(shè)置的薄片狀；每根下彈性梁21的端部都與固定框架23的內(nèi)壁相連；下固定臺24與相鄰的兩根下彈性梁21等距設(shè)置。
[0028]四個上固定臺13和四個下固定臺24—一對應(yīng)設(shè)置，固定連接成雙十字梁結(jié)構(gòu)。如圖1所示，上下固定臺上均設(shè)有通孔，組合后形成四組同軸心孔，用螺栓將上下彈性體固定組合。組合后，上彈性梁11與下彈性梁21之間設(shè)置有間隙，也就是說，組合后，上十字梁彈性體和下彈性體除了四個固定臺的接觸，其他部分均不接觸。根據(jù)目前的應(yīng)變片大小和貼片工藝，預計組合后的傳感器的直徑可以在20mm左右，長度在IOmm?30mm。
[0029]本發(fā)明為應(yīng)變式多維力傳感器，在本發(fā)明的相應(yīng)位置上貼覆應(yīng)變片后，通過電氣連接將應(yīng)變片組成橋式電路可以測量空間六維力和力矩。由于全橋電路具有靈敏度高、非線性誤差小的優(yōu)點，本發(fā)明六個維度的測量各采用一個全橋電路測量。因此，本發(fā)明的傳感器上，共貼覆有六組應(yīng)變片組，每組應(yīng)變片組包括四個應(yīng)變片，每組應(yīng)變片組測量空間一個維度的力或力矩。
[0030]為了測量空間六維力和力矩，需要基于傳感器結(jié)構(gòu)定義一個空間直角坐標系。該直角坐標系的原點位于傳感器的立體幾何中心，X軸和y軸分別平行于一根上彈性梁11(同時也平行于一根下彈性梁21)，z軸與上中心加載軸12的旋轉(zhuǎn)軸重合(同時也與下中心加載軸22的旋轉(zhuǎn)軸重合)。下面將結(jié)合所定義的空間直角坐標系，闡述本發(fā)明的貼片位置，從而說明本發(fā)明的測量原理和使用方法。
[0031]如圖4所示，在上彈性梁11的相應(yīng)位置上，貼覆有:第一應(yīng)變片15，第二應(yīng)變片16，第三應(yīng)變片17。結(jié)合圖5所示，第一應(yīng)變片15對稱設(shè)置在每根上彈性梁11兩立面的水平中線上。每條水平中線上貼覆一個應(yīng)變片，從而本發(fā)明需要貼覆8個第一應(yīng)變片15。兩根同軸的上彈性梁11上設(shè)置的四個第一應(yīng)變片15組成一組應(yīng)變片組，從而本發(fā)明的第一應(yīng)變片15可以組成2組應(yīng)變片組。根據(jù)所定義的空間直角坐標系，貼覆在y向的兩根上彈性梁11上的一組應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力；貼覆在X向的兩根上彈性梁11上的一組應(yīng)變片組用于測量空間y方向的力。
[0032]結(jié)合圖6所示，第二應(yīng)變片16對稱設(shè)置在兩根同軸的上彈性梁11的上下兩面的水平中線上，另外兩根同軸的上彈性梁11上不設(shè)置第二應(yīng)變片16。每條水平中線貼覆一個應(yīng)變片，從而本發(fā)明需要貼覆4個第二應(yīng)變片16，這四個應(yīng)變片組成一組應(yīng)變片組，用于測量空間z方向的力。
[0033]結(jié)合圖7所示，第三應(yīng)變片17對稱設(shè)置在兩根同軸的上彈性梁11兩立面的水平中線上，第三應(yīng)變片17位于第一應(yīng)變片15的外側(cè)，另外兩根同軸的上彈性梁11上不設(shè)置第三應(yīng)變片17。每條水平中線貼覆一個應(yīng)變片，從而本發(fā)明需要貼覆4個第三應(yīng)變片17，這四個應(yīng)變片組成一組應(yīng)變片組，用于測量空間z方向的力矩。
[0034]如圖8、圖9所示，在下彈性梁21的相應(yīng)位置上，貼覆有第四應(yīng)變片25。第四應(yīng)變片25對稱設(shè)置在每根下彈性梁21上下兩面的水平中線上。每條水平中線上貼覆一個應(yīng)變片，從而本發(fā)明需要貼覆8個第四應(yīng)變片25。兩根同軸的下彈性梁21上設(shè)置的四個第四應(yīng)變片25組成一組應(yīng)變片組，從而本發(fā)明的第四應(yīng)變片25可以組成2組應(yīng)變片組。根據(jù)所定義的空間直角坐標系，貼覆在y向的兩根下彈性梁21上的一組應(yīng)變片組用于測量空間X方向的力矩；貼覆在X向的兩根下彈性梁21上的一組應(yīng)變片組用于測量空間y方向的力矩。
[0035]圖10是本發(fā)明的傳感器應(yīng)用于機器人指關(guān)節(jié)的裝配示意圖。傳感器的上下彈性體的中心加載軸分別從上下兩個方向延伸而出，在中心加載軸上連接法蘭盤，即可和外部機構(gòu)相連接。圖10中，上彈性體的中心加載軸與機器人的指關(guān)節(jié)相連接；下彈性體的中心加載軸與機器人的手掌相連接。由于傳感器的尺寸較小，正好與機械指大小相符，因此可以很好地測量機器人指關(guān)節(jié)的六維力和力矩。除此之外，圖中每根手指的指節(jié)和指節(jié)間，也可以安裝本發(fā)明的傳感器。
【權(quán)利要求】
1.一種雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器，其特征在于，該傳感器包括上十字梁彈性體(I)和連接設(shè)置在所述上十字梁彈性體(I)下方的下十字梁彈性體(2)； 所述上十字梁彈性體(I)包括四根相交于一點的上彈性梁(11)、連接設(shè)置在所述四根上彈性梁(11)交點上方的上中心加載軸(12)、設(shè)置在上彈性梁(11)外側(cè)端部的四根上浮動梁(14)、設(shè)置在兩相鄰的上浮動梁(14)之間并與其端部連接的四個上固定臺(13)，所述的四根上彈性梁(11)兩兩成90°相交，所述的四個上固定臺(13)對稱分布在上中心加載軸(12)的四周； 所述下十字梁彈性體(2)包括四根相交于一點的下彈性梁(21)、連接設(shè)置在所述四根下彈性梁(21)交點下方的下中心加載軸(22)、環(huán)繞四根下彈性梁(21)的圓環(huán)形固定框架(23)、均勻設(shè)置在所述固定框架(23)內(nèi)壁上的四個下固定臺(24);所述的四根下彈性梁(21)兩兩成90°相交，每根下彈性梁(21)的端部都與固定框架(23)的內(nèi)壁相連，下固定臺(24)與相鄰的兩根下彈性梁(21)等距設(shè)置； 所述四個上固定臺(13)與四個下固定臺(24)—一對應(yīng)設(shè)置，并固定連接成雙十字梁結(jié)構(gòu)，上彈性梁(11)與下彈性梁(21)之間設(shè)置有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器，其特征在于，所述上彈性梁(11)的橫截面呈正方形；所述下彈性梁(21)的橫截面呈矩形，下彈性梁(21)為截面矩形的長邊水平設(shè)置的薄片狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器，其特征在于，所述上彈性梁(11)上均對稱設(shè)置有位于兩立面水平中線上的兩個第一應(yīng)變片(15)，兩根同軸的上彈性梁(11)上分別對稱設(shè)置有位于上下兩面水平中線上的兩個第二應(yīng)變片(16)，另外兩根同軸的上彈性梁(11)上不設(shè)置第二應(yīng)變片(16);兩根同軸的上彈性梁(11)上分別對稱設(shè)置有位于兩立面水平中線上的兩個第三應(yīng)變片(17)，所述第三應(yīng)變片(17)位于第一應(yīng)變片(15)的外側(cè)，另外兩根同軸的上彈性梁(11)上不設(shè)置第三應(yīng)變片(17);所述下彈性梁(21)上分別對稱設(shè)置有位于上下兩面水平中線上的兩個第四應(yīng)變片(25)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維力傳感器，其特征在于，所述兩根同軸的上彈性梁(11)上設(shè)置的四個第一應(yīng)變片(15)組成一組應(yīng)變片組，所述應(yīng)變片組中的四個第一應(yīng)變片(15)與上中心加載軸(12)的中軸線等距設(shè)置； 兩根同軸的上彈性梁(11)上設(shè)置的四個第二應(yīng)變片(16)組成一組應(yīng)變片組，所述應(yīng)變片組中的四個第二應(yīng)變片(16)與上中心加載軸(12)的中軸線等距設(shè)置； 兩根同軸的上彈性梁(11)上設(shè)置的四個第三應(yīng)變片(17)組成一組應(yīng)變片組，所述應(yīng)變片組中的四個第三應(yīng)變片(17)與上中心加載軸(12)的中軸線等距設(shè)置； 兩根同軸的下彈性梁(21)上設(shè)置的四個第四應(yīng)變片(25)組成一組應(yīng)變片組，所述應(yīng)變片組中的四個第四應(yīng)變片(25)與下中心加載軸(22)的中軸線等距設(shè)置。
【文檔編號】G01L5/16GK103940544SQ201410087486
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】宋愛國, 陳丹鳳, 李昂, 李會軍, 宋光明 申請人:東南大學