雙十字梁組合式指關節六維力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙十字梁組合式指關節六維力傳感器，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的四個固定臺固定，組合成雙十字梁結構。本發明與現有的多維力傳感器相比更加微型化，具有較高的靈敏度，適用于機器人指關節領域的多維力測量。
【專利說明】雙十字梁組合式指關節六維力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器【技術領域】，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節六維力傳感器。
【背景技術】
[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用于機器人領域。智能機器人的感知系統是機器人執行作業的基礎與前提，而多維力傳感器正是感知系統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域得到應用，隨著機器人技術的發展，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構的應變式多維力傳感器是該領域最常用的一種，它具有結構簡單緊湊、靈敏度高、維間串擾小等優點。該類型的多維力傳感器被廣泛應用于機器人腕部，并且有較好的效果。隨著機器人技術的發展，仿人機器人和精細作業機器人越來越成為研發熱點，機械手的精細控制越來越依賴于微型多維力傳感器。然而，傳統結構的多維力傳感器卻不能達到這樣的微型化要求。這主要由于傳統的結構上，彈性體上所粘貼的應變片數量較多，受限于應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用，國內外都有相關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這樣的尺寸已經滿足多維力傳感器的微型化要求，可以應用到機器人指關節。但是該傳感器需要較龐大的信號調理電路和數字采集系統，這些模塊使得它在集成度極高的智能機器人上的應用受到極大的限制。正在研制的微型多維力傳感器也有很多種，但是大多數結構復雜，采用的是微機械加工工藝(MEMS)，并且需要進行集成式應變計的定制，因此這種方案成本很高。因此，從結構上改進傳感器，研制一種新型結構的多維力傳感器，使之在不需要昂貴的MEMS和集成應變計工藝的基礎上，實現體積上的微型化以及外部電路的靈活化，將會具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明提供一種在滿足多維測量的前提下實現微型化，大幅縮小六維力傳感器體積，可應用于機器人指關節等領域的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器。
[0006]技術方案:本發明的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器，包括上十字梁彈性體和連接設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、連接設置在四根上彈性梁交點上方的上中心加載軸、設置在上彈性梁外側端部的四根上浮動梁、設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、連接設置在四根下彈性梁交點下方的下中心加載軸、環繞四根下彈性梁的圓環形固定框架、均勻設置在固定框架內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壁相連，下固定臺與相鄰的兩根下彈性梁等距設置；四個上固定臺與四個下固定臺一一對應設置，并固定連接成雙十字梁結構，上彈性梁與下彈性梁之間設置有間隙。
[0007]本發明的一種優選方案中，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置的薄片狀。
[0008]本發明的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器中，上彈性梁上均對稱設置有位于兩立面水平中線上的兩個第一應變片，兩根同軸的上彈性梁上分別對稱設置有位于上下兩面水平中線上的兩個第二應變片，另外兩根同軸的上彈性梁上不設置第二應變片；兩根同軸的上彈性梁上分別對稱設置有位于兩立面水平中線上的兩個第三應變片，第三應變片位于第一應變片的外側，另外兩根同軸的上彈性梁上不設置第三應變片；下彈性梁上分別對稱設置有位于上下兩面水平中線上的兩個第四應變片。
[0009]本發明的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器中，兩根同軸的上彈性梁上設置的四個第一應變片組成一組應變片組，應變片組中的四個第一應變片與上中心加載軸的中軸線等距設置；兩根同軸的上彈性梁上設置的四個第二應變片組成一組應變片組，應變片組中的四個第二應變片與上中心加載軸的中軸線等距設置；兩根同軸的上彈性梁上設置的四個第三應變片組成一組應變片組，應變片組中的四個第三應變片與上中心加載軸的中軸線等距設置；兩根同軸的下彈性梁上設置的四個第四應變片組成一組應變片組，應變片組中的四個第四應變片與下中心加載軸的中軸線等距設置。
[0010]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0011](I)實現了六維力傳感器的微型化。本發明采用了組合式雙十字梁結構，通過一一對應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，從而突破了應變式多維力傳感器的體積瓶頸。
[0012]( 2 )加工成本低，傳統加工工藝就可以完成。本發明仍然采用傳統的精密機械加工就能完成的彈性體結構，應變計粘貼也采用傳統方式，不需要專門的MEMS工藝和集成應變計工藝。因此，本發明不僅大大降低了成本，還擴大了應用范圍，不因沒有加工場所而無法研制和應用。
[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 )雙加載軸的設計，尤其適用于機器人指關節等領域。本發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節，結合本發明微型化的優勢，在機器人指關節領域有很好的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的傳感器整體結構示意圖。[0016]圖2為本發明的傳感器上十字梁彈性體結構示意圖。
[0017]圖3為本發明的傳感器下十字梁彈性體結構示意圖。
[0018]圖4為本發明的傳感器上十字梁彈性體貼片位置示意圖。
[0019]圖5為本發明的傳感器的第一應變片位置示意圖
[0020]圖6為本發明的傳感器的第二應變片位置示意圖
[0021]圖7為本發明的傳感器的第三應變片位置示意圖
[0022]圖8為本發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為本發明的傳感器應用于機器人指關節的裝配示意圖。
[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、第一應變片15、第二應變片16、第三應變片17、下彈性梁21、下中心加載軸22、固定框架23、下固定臺24、第四應變片25。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明，而不用于限制本發明的范圍。在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等同形式的修改和替換均落于本申請權利要求所限定的保護范圍。
[0027]如圖1所示，本發明的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器包括均為整體式結構的上十字梁彈性體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設置在上彈性梁11的外側端部；四個上固定臺13分別設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、連接設置在四根下彈性梁21交點上方的下中心加載軸22、環繞四根下彈性梁21的圓環形固定框架23、均勻設置在固定框架23內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置的薄片狀；每根下彈性梁21的端部都與固定框架23的內壁相連；下固定臺24與相鄰的兩根下彈性梁21等距設置。
[0028]四個上固定臺13和四個下固定臺24—一對應設置，固定連接成雙十字梁結構。如圖1所示，上下固定臺上均設有通孔，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。根據目前的應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]本發明為應變式多維力傳感器，在本發明的相應位置上貼覆應變片后，通過電氣連接將應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、非線性誤差小的優點，本發明六個維度的測量各采用一個全橋電路測量。因此，本發明的傳感器上，共貼覆有六組應變片組，每組應變片組包括四個應變片，每組應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，需要基于傳感器結構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的旋轉軸重合(同時也與下中心加載軸22的旋轉軸重合)。下面將結合所定義的空間直角坐標系，闡述本發明的貼片位置，從而說明本發明的測量原理和使用方法。
[0031]如圖4所示，在上彈性梁11的相應位置上，貼覆有:第一應變片15，第二應變片16，第三應變片17。結合圖5所示，第一應變片15對稱設置在每根上彈性梁11兩立面的水平中線上。每條水平中線上貼覆一個應變片，從而本發明需要貼覆8個第一應變片15。兩根同軸的上彈性梁11上設置的四個第一應變片15組成一組應變片組，從而本發明的第一應變片15可以組成2組應變片組。根據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上的一組應變片組用于測量空間y方向的力。
[0032]結合圖6所示，第二應變片16對稱設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上不設置第二應變片16。每條水平中線貼覆一個應變片，從而本發明需要貼覆4個第二應變片16，這四個應變片組成一組應變片組，用于測量空間z方向的力。
[0033]結合圖7所示，第三應變片17對稱設置在兩根同軸的上彈性梁11兩立面的水平中線上，第三應變片17位于第一應變片15的外側，另外兩根同軸的上彈性梁11上不設置第三應變片17。每條水平中線貼覆一個應變片，從而本發明需要貼覆4個第三應變片17，這四個應變片組成一組應變片組，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的相應位置上，貼覆有第四應變片25。第四應變片25對稱設置在每根下彈性梁21上下兩面的水平中線上。每條水平中線上貼覆一個應變片，從而本發明需要貼覆8個第四應變片25。兩根同軸的下彈性梁21上設置的四個第四應變片25組成一組應變片組，從而本發明的第四應變片25可以組成2組應變片組。根據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上的一組應變片組用于測量空間y方向的力矩。
[0035]圖10是本發明的傳感器應用于機器人指關節的裝配示意圖。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，即可和外部機構相連接。圖10中，上彈性體的中心加載軸與機器人的指關節相連接；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節的六維力和力矩。除此之外，圖中每根手指的指節和指節間，也可以安裝本發明的傳感器。
【權利要求】
1.一種雙十字梁組合式指關節六維力傳感器，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)、連接設置在所述四根上彈性梁(11)交點上方的上中心加載軸(12)、設置在上彈性梁(11)外側端部的四根上浮動梁(14)、設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)、連接設置在所述四根下彈性梁(21)交點下方的下中心加載軸(22)、環繞四根下彈性梁(21)的圓環形固定框架(23)、均勻設置在所述固定框架(23)內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)的內壁相連，下固定臺(24)與相鄰的兩根下彈性梁(21)等距設置； 所述四個上固定臺(13)與四個下固定臺(24)—一對應設置，并固定連接成雙十字梁結構，上彈性梁(11)與下彈性梁(21)之間設置有間隙。
2.根據權利要求1所述的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器，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置的薄片狀。
3.根據權利要求1或2所述的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器，其特征在于，所述上彈性梁(11)上均對稱設置有位于兩立面水平中線上的兩個第一應變片(15)，兩根同軸的上彈性梁(11)上分別對稱設置有位于上下兩面水平中線上的兩個第二應變片(16)，另外兩根同軸的上彈性梁(11)上不設置第二應變片(16);兩根同軸的上彈性梁(11)上分別對稱設置有位于兩立面水平中線上的兩個第三應變片(17)，所述第三應變片(17)位于第一應變片(15)的外側，另外兩根同軸的上彈性梁(11)上不設置第三應變片(17);所述下彈性梁(21)上分別對稱設置有位于上下兩面水平中線上的兩個第四應變片(25)。
4.根據權利要求3所述的雙十字梁組合式指關節六維力傳感器，其特征在于，所述兩根同軸的上彈性梁(11)上設置的四個第一應變片(15)組成一組應變片組，所述應變片組中的四個第一應變片(15)與上中心加載軸(12)的中軸線等距設置； 兩根同軸的上彈性梁(11)上設置的四個第二應變片(16)組成一組應變片組，所述應變片組中的四個第二應變片(16)與上中心加載軸(12)的中軸線等距設置； 兩根同軸的上彈性梁(11)上設置的四個第三應變片(17)組成一組應變片組，所述應變片組中的四個第三應變片(17)與上中心加載軸(12)的中軸線等距設置； 兩根同軸的下彈性梁(21)上設置的四個第四應變片(25)組成一組應變片組，所述應變片組中的四個第四應變片(25)與下中心加載軸(22)的中軸線等距設置。
【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 優先權日:2014年3月11日
【發明者】宋愛國, 陳丹鳳, 李昂, 李會軍, 宋光明 申請人:東南大學
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