本發(fā)明涉及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小型六維力和力矩傳感器。

背景技術(shù)：

多維力和力矩傳感器指的是一種能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力或力矩分量的力傳感器，在笛卡爾坐標(biāo)系中力和力矩可以各自分解為三個(gè)分量，因此，多維力最完整的形式是六維力和力矩傳感器，即能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量的傳感器。多維力和力矩傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、軍工等領(lǐng)域中。

金屬箔貼片式六維力和力矩傳感器由于技術(shù)成熟，相比壓電式和半導(dǎo)體式傳感器穩(wěn)定性能好，對(duì)工作環(huán)境要求不高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但是在現(xiàn)有技術(shù)的金屬箔貼片式六維傳感器存在很多缺陷：

現(xiàn)有的多維力和力矩傳感器的雖然彈性體尺寸小，減小體積，但是其上貼設(shè)的應(yīng)變片的數(shù)量也較少，某一方向或某幾個(gè)方向的力或力矩需要通過(guò)其他方向的輸出和結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行推算，這會(huì)使系統(tǒng)誤差增大；

現(xiàn)有的六維力和力矩RSS傳感器的彈性體是通過(guò)球鉸鏈將各個(gè)彈性梁連接起來(lái)，能夠達(dá)到自解耦，精度高等設(shè)計(jì)要求的，但是其彈性體本身對(duì)裝配工藝的要求高，其裝配的精度也影響著彈性體的精度和解耦，另外，該類傳感器的固有頻率也不會(huì)很高；

現(xiàn)有的無(wú)耦合六維力和力矩傳感器大多需要通過(guò)裝配實(shí)現(xiàn)解耦，對(duì)裝配工藝有較高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種小型六維力和力矩傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)方向結(jié)構(gòu)自解耦，并且具有強(qiáng)度高、剛度大、固有頻率高、能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試、精度高、結(jié)構(gòu)尺寸小的特點(diǎn)。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)手段解決上述問(wèn)題：

本發(fā)明的小型六維力和力矩傳感器，其特征在于：包括筒形外殼、設(shè)置在所述筒形外殼內(nèi)壁的基座、連接所述基座的8根尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第一彈性梁、設(shè)置在所述筒形外殼中心的中心凸臺(tái)、連接所述中心凸臺(tái)與所述第一彈性梁的4根尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第二彈性梁，4根所述第二彈性梁呈十字形設(shè)置，8根所述第一彈性梁上和4根所述第二彈性梁上分別貼設(shè)有多個(gè)應(yīng)變片，各自組成全橋式電路。

進(jìn)一步，所述中心凸臺(tái)為圓形，圓形的所述中心凸臺(tái)的中間設(shè)有用于連接固定的M2.5的第一螺紋孔和Φ1.5的銷孔。

進(jìn)一步，所述第一螺紋孔有4個(gè)，所述銷孔有2個(gè)，4個(gè)所述第一螺紋孔呈矩形分布在所述中心凸臺(tái)上，2個(gè)所述銷孔分別設(shè)置在呈矩形分布的4個(gè)所述第一螺紋孔的兩側(cè)。

進(jìn)一步，所述第二彈性梁的頂部高于所述第一彈性梁的頂部，所述的第二彈性梁底部低于所述第一彈性梁的底部。

進(jìn)一步，每個(gè)所述第二彈性梁分別和與其連接的兩個(gè)所述第一彈性梁垂直設(shè)置。

進(jìn)一步，所述第一彈性梁的上表面和下表面為用于貼設(shè)所述應(yīng)變片的第一貼片區(qū)。

進(jìn)一步，所述第二彈性梁的中心沿所述第二彈性梁的高度方向開設(shè)有貫通的槽體，所述槽體用于增大所述第二貼片區(qū)的應(yīng)變。

進(jìn)一步，所述第二彈性梁連接所述第一彈性梁的一端為第二協(xié)調(diào)區(qū)，所述槽體所在區(qū)域的第二梁體外側(cè)面為用于貼設(shè)所述應(yīng)變片的第二貼片區(qū)，所述第二協(xié)調(diào)區(qū)用于增大所述第一貼片區(qū)的應(yīng)變和所述第二彈性梁的強(qiáng)度。

本發(fā)明的小型六維力和力矩傳感器，當(dāng)所述中心凸臺(tái)作用力和力矩時(shí)，所述基座和所述中心凸臺(tái)是剛性的，不發(fā)生變形，8根所述第一彈性梁和4根所述第二彈性梁均會(huì)產(chǎn)生拉壓變形或者彎曲變形，從而引起各全橋式電路輸出的電壓信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析處理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)方向結(jié)構(gòu)自解耦，適合目前工業(yè)系統(tǒng)的配套使用；且所述筒形外殼、所述基座、所述中心凸臺(tái)、所述第一彈性梁和所述第二彈性梁為整體式構(gòu)件，無(wú)需裝配，具有強(qiáng)度高，剛度大，固有頻率高，線性度、重復(fù)性和遲滯均理想的優(yōu)點(diǎn)。此外，通過(guò)改變所述第一彈性梁和所述第二彈性梁的尺寸可以任意改變傳感器的量程。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的小型六維力和力矩傳感器貼設(shè)應(yīng)變片前的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的小型六維力和力矩傳感器貼設(shè)應(yīng)變片后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的小型六維力和力矩傳感器的應(yīng)變片的分布示意圖。

如圖1，筒形外殼-1、基座-2、中心凸臺(tái)-3、第一螺紋孔-31、銷孔-32、第一彈性梁-4、第二彈性梁-5、槽體-51、第二螺紋孔-6、應(yīng)變片-7；

如圖2，第一彈性梁-401、第一彈性梁-402、第一彈性梁-403、第一彈性梁-404、第一彈性梁-405、第一彈性梁-406、第一彈性梁-407、第一彈性梁-408；

如圖2，第二彈性梁-501、第二彈性梁-502、第二彈性梁-503、第二彈性梁-504。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖1所示：本實(shí)施例所述的小型六維力和力矩傳感器，包括筒形外殼1、設(shè)置在所述筒形外殼1內(nèi)壁的基座2、分別連接4個(gè)所述基座2的8根尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第一彈性梁4、設(shè)置在所述筒形外殼1中心的中心凸臺(tái)3、連接所述中心凸臺(tái)3與所述第一彈性梁4的4根尺寸和結(jié)構(gòu)相同的第二彈性梁5，4根所述第二彈性梁5呈十字形設(shè)置，8根所述第一彈性梁4上和4根所述第二彈性梁5上分別貼設(shè)有多個(gè)應(yīng)變片7，各自組成全橋式電路。

本實(shí)施例所述的小型六維力和力矩傳感器，當(dāng)所述中心凸臺(tái)3作用力和力矩時(shí)，所述基座2和所述中心凸臺(tái)3是剛性的，不發(fā)生變形，8根所述第一彈性梁4和4根所述第二彈性梁5均會(huì)產(chǎn)生拉壓變形或者彎曲變形，從而引起各全橋式電路輸出的電壓信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析處理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)方向結(jié)構(gòu)自解耦，適合目前工業(yè)系統(tǒng)的配套使用；且所述筒形外殼1、所述基座2、所述中心凸臺(tái)3、所述第一彈性梁4和所述第二彈性梁5為整體式構(gòu)件，無(wú)需裝配，具有強(qiáng)度高，剛度大，固有頻率高，線性度、重復(fù)性和遲滯均理想的優(yōu)點(diǎn)。此外，通過(guò)改變所述第一彈性梁4和所述第二彈性梁5的尺寸可以任意改變傳感器的量程。

在本實(shí)施例中，所述中心凸臺(tái)3為圓形，圓形的所述中心凸臺(tái)3的中間設(shè)有用于連接固定的M2.5的第一螺紋孔31和Φ1.5的銷孔32，所述第一螺紋孔31和所述銷孔32能夠與連接法蘭無(wú)間隙緊密配合，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量(如往復(fù)運(yùn)動(dòng))。

為了便于使用，作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一螺紋孔31有4個(gè)，所述銷孔32有2個(gè)，4個(gè)所述第一螺紋孔31呈矩形分布在所述中心凸臺(tái)3上，2個(gè)所述銷孔32分別設(shè)置在呈矩形分布的4個(gè)所述第一螺紋孔31的兩側(cè)。

在本實(shí)施例中，4個(gè)所述基座2上分別設(shè)有用于安裝保護(hù)外罩的第二螺紋孔6。

為了提高該彈性體的性能，作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二彈性梁5的頂部高于所述第一彈性梁4的頂部，所述第二彈性梁5的底部低于所述第一彈性梁4的底部。

為了提高該彈性體的性能，作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，每個(gè)所述第二彈性梁5分別和與其連接的兩個(gè)所述第一彈性梁4垂直設(shè)置，且所述第一彈性梁4的高度為所述第二彈性梁5的高度的1/3。

具體的，所述第一彈性梁4的上表面和下表面為用于貼設(shè)所述應(yīng)變片7的第一貼片區(qū)。

在本實(shí)施例中，所述第二彈性梁5的中心沿所述第二彈性梁5的高度方向開設(shè)有貫通的槽體51，所述槽體51用于增大所述第二貼片區(qū)的應(yīng)變。

在本實(shí)施例中，所述槽體51上根據(jù)需要開設(shè)有矩形凹槽，通常情況下，所述槽體51為“土”字形結(jié)構(gòu)。

具體的，所述第二彈性梁5的連接所述第一彈性梁4的一端為第二協(xié)調(diào)區(qū)，所述槽體51所在區(qū)域的第二梁體外側(cè)面為用于貼設(shè)所述應(yīng)變片的第二貼片區(qū)，且所述第二貼片區(qū)具體位于所述第二彈性梁5與所述槽體51形成的壁厚較窄段的外側(cè)面上，所述第二協(xié)調(diào)區(qū)用于增大所述第一貼片區(qū)的應(yīng)變和所述第二彈性梁5的強(qiáng)度。

如圖2所示，8根所述第一彈性梁4分別為第一彈性梁401、第一彈性梁402、第一彈性梁403、第一彈性梁404、第一彈性梁405、第一彈性梁406、第一彈性梁407、第一彈性梁408，4根所述第二彈性梁5分別為第二彈性梁501、第二彈性梁502、第二彈性梁503、第二彈性梁504，所述第一彈性梁401和所述第一彈性梁402關(guān)于所述第二彈性梁501對(duì)稱設(shè)置，所述第一彈性梁403和所述第一彈性梁404關(guān)于所述第二彈性梁502對(duì)稱設(shè)置，所述第一彈性梁405和所述第一彈性梁406關(guān)于所述第二彈性梁503對(duì)稱設(shè)置，所述第一彈性梁407和所述第一彈性梁408關(guān)于所述第二彈性梁504對(duì)稱設(shè)置；

多個(gè)所述應(yīng)變片7分別由Rn(n＝1，2，3，4……)來(lái)表示，則：

如圖2、圖3所示，R1設(shè)置在所述第一彈性梁401的上表面靠近所述基座2的一端，R2設(shè)置在所述第一彈性梁401的下表面靠近所述第二彈性梁501的一端，R3設(shè)置在所述第一彈性梁402的上表面靠近所述第二彈性梁501的一端，R4設(shè)置在所述第一彈性梁402的下表面靠近所述基座2的一端，R5設(shè)置在所述第一彈性梁403的上表面靠近所述基座2的一端，R6設(shè)置在所述第一彈性梁404的下表面靠近所述基座2的一端，R7設(shè)置在所述第一彈性梁405的上表面靠近所述基座2的一端，R8設(shè)置在所述第一彈性梁405的下表面靠近所述第二彈性梁503的一端，R9設(shè)置在所述第一彈性梁406的上表面靠近所述第二彈性梁503的一端，R10設(shè)置在所述第一彈性梁406的下表面靠近所述基座2的一端，R11設(shè)置在所述第一彈性梁407的上表面靠近所述基座2的一端，R12設(shè)置在所述第一彈性梁408的下表面靠近所述基座2的一端；

R13、R14分別與R16、R15關(guān)于所述第二彈性梁501的中線對(duì)稱設(shè)置，R17與R18關(guān)于所述第二彈性梁502的中線對(duì)稱設(shè)置，R19、R20分別與R22、R21關(guān)于所述第二彈性梁503的中線對(duì)稱設(shè)置，R23與R24關(guān)于所述第二彈性梁504的中線對(duì)稱設(shè)置。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。