一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，包括外圆环壁、内圆环壁、外圈应力梁、内圈应力梁和一个中心加载轴。固定外圆环壁，利用弹性体内部的应变原理，测量三维空间中x，y，z方向的力和x，y，z方向的力矩。其中，内圈应力梁上贴有四组应变片，分别敏感三维空间中x，y，z方向的力和z方向的力矩；外圈应力梁上贴有两组应变片，分别敏感三维空间中x和y方向的力矩。本发明专利技术具有结构解耦、维间耦合小的突出优点，可适用于多种场合，尤其是智能机器人这类基于复杂系统的工程应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器
本专利技术属于传感器
，涉及一种六维力传感器，具体涉及一种低维间耦合 的双十字梁型六维力和力矩传感器。
技术介绍
机器人技术是现代科技的前沿技术之一，它又衍生出智能机器人、特殊作业机器 人、工业机器人、遥操作机器人、康复理疗机器人等众多分支，对所有的分支而言，力传感器 都是机器人感知系统中最重要的一种。特别是在某些极限的环境如航天、深海作业、防灾等 危险场合，及柔性装配、多指灵巧手、机器人遥操作等特殊场合，力传感器是机器人所用传 感器最为关键的一种。 为了准确获取空间的力觉信息，往往需要同时测量三维空间中多个维度的力或力 矩信息，多维力传感器就是实现这种力觉感知的元件。在智能机器人领域，多维力传感器装 配于机械手臂的前端、手爪的末端，用于检测机械手与外部环境的接触力的大小和方向，实 现力反馈以及机械臂的力控制。 应变式多维力传感器是该领域最常用的一种，典型的结构有横梁结构和坚梁结构 两种。1975年美国的P. C. Waston和S. H. Drake设计了一种坚梁结构的整体式六维力传感 器，它是整体成型的，由一个金属环周壁铣成，三根细梁按120°周向均匀分布。横梁的典型 代表是斯坦福大学人工智能研究所七十年代设计的，美国Load公司生产的Scheinman腕力 传感器。中国科学院合肥智能所和东南大学联合研制的SAFMS型腕力传感器采用的则是这 种结构。这两种结构虽然是使用最广泛的，但是由于结构设计和制造工艺的误差，不可避免 具有维间耦合。维间耦合是指作用在传感器某一个维度的力或力矩会对其他维度的输出产 生影响，造成另一个维度在零输入时仍有输出。维间耦合是限制传感器精度的一个重要因 素，因此解耦方法也是研究的热点。最传统的解耦算法是基于最小二乘法和求解矩阵广义 逆的静态解耦算法，这种方法算法复杂，容易产生病态矩阵，且只适用于线性解耦。马俊青 等人提出一种基于耦合误差建模的多维力传感器解耦方法，这种方法简单可靠，运算量少。 Voyles等人提出了一种快速线性解稱算法，称为shape from motion,也具有较好的效果。近 年来，神经网络和小波分析等多种建模方法也被广泛用到解耦之中，主要解决传感器的非 线性问题。然而，解耦算法一般对硬件采集电路和处理器性能要求很高。因此，研究可以结 构解耦的传感器结构则可以简化解耦算法，更利于工程应用。结构解耦的型式也有多种，如 上海交通大学提出的一种具有滑移结构的低维间耦合的小量程六维力传感器等，而这种基 于结构解耦的传感器又往往结构复杂，加工难度相对较高。 由此可知，传感器领域，尤其是智能机器人这类基于复杂系统的工程应用领域，研 究一种低维间耦合的六维力和力矩传感器具有重要意义，尤其是设计一种具有结构解耦功 能的传感器，具有广泛的应用前景。
技术实现思路
专利技术目的：针对目前国内外力传感器在进行多维测量时，存在较严重的维间耦合 的问题，提出一种低维间耦合的新型传感器结构，从结构上实现解耦，减少简化解耦算法， 减小测量误差。 技术方案：一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，该传感器包括弹 性体结构和六组应变片组； 所述弹性体结构包括外圆环壁、内圆环壁、四根结构相同的外圈应力梁、四根结构 相同的内圈应力梁以及一个中心加载轴；以外圆环壁的几何中心为原点〇定义一个XYZ三 维直角坐标系,所述外圆环壁、内圆环壁、外圈应力梁、内圈应力梁的中心横截面均位于Χ0Υ 平面上，所述中心加载轴的中轴线位于Z轴上，外圆环壁、内圆环壁和中心加载轴同轴设 置，外圆环壁的高度高于内圆环壁；所述四个外圈应力梁以原点0为中心，均匀布置在外圆 环壁和内圆环壁之间，且外圈应力梁两端分别与外圆环壁和内圆环壁固定；所述四个内圈 应力梁以原点0为中心，均匀布置在内圆环壁和中心加载轴之间，且内圈应力梁两端分别 与内圆环壁和中心加载轴固定；所述外圈应力梁位于X轴或Y轴上，所述内圈应力梁位于X 轴或Y轴上； 所述六组应变片组粘贴在四根外圈应力梁和四根内圈应力梁上，每组应变片组构 成一个惠斯通电桥。 作为本专利技术的改进，所述弹性体结构中，所述四根外圈应力梁为薄片结构并分别 沿X轴和Y轴设置；沿X轴方向设置的外圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿 Y轴方向长度大于沿Z轴方向的高度；沿Y轴方向设置的外圈应力梁与XZ坐标平面平行的 截面为矩形，且沿X轴方向长度大于沿Z轴方向的高度；所述四根内圈应力梁分别沿X轴和 Y轴设置；沿X轴方向设置的内圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为正方形，沿Y轴方向 设置的内圈应力梁与XZ坐标平面平行的截面为正方形。 作为本专利技术的进一步改进，所述沿X轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高 度低于沿X轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴方向的高度，并且沿Y轴方向的长度大于内圈 应力梁沿Y轴方向的长度；所述沿Y轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿 Y轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴方向的高度，并且沿X轴方向的长度大于内圈应力梁沿X 轴方向的长度。 作为本专利技术的优选方案，所述第一应变片组用于测量空间X方向的力，包括第一 应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片；所述第一应变片和第二应变片分别对称设 置在沿Y轴方向排布的第一内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴轴线 并靠近所述中心加载轴设置；所述第三应变片和第四应变片分别对称设置在沿Y轴方向排 布的第二内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴轴线并靠近所述中心加 载轴设置； 所述第二应变片组用于测量空间y方向的力，包括第五应变片、第六应变片、第七 应变片、第八应变片；所述第五应变片和第六应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第 三内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并靠近所述中心加载轴设 置；所述第七应变片和第八应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第四内圈应力梁中平 行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并靠近所述中心加载轴设置； 所述第三应变片组用于测量空间z方向的力，包括第九应变片、第十应变片、第 十一应变片、第十二应变片；所述第九应变片和第十应变片分别对称设置在沿Y轴方向排 布的第一内圈应力梁中平行ΧΥ坐标平面的两个面上，同时沿Υ轴轴线设置；所述第十一应 变片和第十二应变片分别对称设置在沿Υ轴方向排布的第二内圈应力梁中平行ΧΥ坐标平 面的两个面上，同时沿Υ轴轴线设置； 所述第四应变片组用于测量空间ζ方向的力矩，包括第十三应变片、第十四应变 片、第十五应变片、第十六应变片；所述第十三应变片和第十四应变片分别对称设置在沿X 轴方向排布的第三内圈应力梁中平行ΧΖ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并稍远离 所述中心加载轴设置；所述第十五应变片和第十六应变片分别对称设置在沿X轴方向排布 的第四内圈应力梁中平行ΧΖ坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线并稍远离所述中心加载 轴设置； 所述第五应变片组用于测量空间X方向的力矩，包括第十七应变片、第十八应变 片、第十九应变片、第二十应变片；所述第十七应变片和第十八应变片分别对称设置在沿Υ 轴方向排布的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，其特征在于，该传感器包括弹性体结构和六组应变片组；所述弹性体结构包括外圆环壁(1)、内圆环壁(2)、四根结构相同的外圈应力梁(3)、四根结构相同的内圈应力梁(4)以及一个中心加载轴(5)；以外圆环壁(1)的几何中心为原点O，定义一个XYZ三维直角坐标系，所述外圆环壁(1)、内圆环壁(2)、外圈应力梁(3)、内圈应力梁(4)的中心横截面均位于XOY平面上，所述中心加载轴(5)的中轴线位于Z轴上，外圆环壁(1)、内圆环壁(2)和中心加载轴(5)同轴设置，外圆环壁(1)的高度高于内圆环壁(2)；所述四个外圈应力梁(3)以原点O为中心，均匀布置在外圆环壁(1)和内圆环壁(2)之间，且外圈应力梁(3)两端分别与外圆环壁(1)和内圆环壁(2)固定；所述四个内圈应力梁(4)以原点O为中心，均匀布置在内圆环壁(2)和中心加载轴(5)之间，且内圈应力梁(4)两端分别与内圆环壁(2)和中心加载轴(5)固定；所述外圈应力梁(3)位于X轴或Y轴上，所述内圈应力梁(4)位于X轴或Y轴上；所述六组应变片组粘贴在四根外圈应力梁(3)和四根内圈应力梁(4)上，每组应变片组构成一个惠斯通电桥。...

【技术特征摘要】
1. 一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，其特征在于，该传感器包括弹 性体结构和六组应变片组； 所述弹性体结构包括外圆环壁（1)、内圆环壁（2)、四根结构相同的外圈应力梁（3)、四 根结构相同的内圈应力梁（4)以及一个中心加载轴（5);以外圆环壁（1)的几何中心为原 点〇,定义一个XYZ三维直角坐标系，所述外圆环壁（1)、内圆环壁（2)、外圈应力梁（3)、内 圈应力梁（4)的中心横截面均位于Χ0Υ平面上，所述中心加载轴（5)的中轴线位于Z轴上， 外圆环壁（1)、内圆环壁（2)和中心加载轴（5)同轴设置，外圆环壁（1)的高度高于内圆环 壁（2);所述四个外圈应力梁（3)以原点0为中心，均匀布置在外圆环壁（1)和内圆环壁 ⑵之间，且外圈应力梁⑶两端分别与外圆环壁⑴和内圆环壁⑵固定；所述四个内圈 应力梁⑷以原点〇为中心，均匀布置在内圆环壁⑵和中心加载轴（5)之间，且内圈应力 梁（4)两端分别与内圆环壁（2)和中心加载轴（5)固定；所述外圈应力梁（3)位于X轴或 Y轴上，所述内圈应力梁（4)位于X轴或Y轴上； 所述六组应变片组粘贴在四根外圈应力梁（3)和四根内圈应力梁（4)上，每组应变片 组构成一个惠斯通电桥。2. 根据权利要求1所述的低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，其特征在 于，所述弹性体结构中，所述四根外圈应力梁（3)为薄片结构并分别沿X轴和Y轴设置；沿 X轴方向设置的外圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿Y轴方向长度大于沿Z 轴方向的高度；沿Y轴方向设置的外圈应力梁与XZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿X轴 方向长度大于沿Z轴方向的高度；所述四根内圈应力梁（4)分别沿X轴和Y轴设置；沿X轴 方向设置的内圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为正方形，沿Y轴方向设置的内圈应力梁 与XZ坐标平面平行的截面为正方形。3. 根据权利要求2所述的低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，其特征在 于，所述沿X轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿X轴方向设置的内圈应 力梁沿Z轴方向的高度，并且沿Y轴方向的长度大于内圈应力梁沿Y轴方向的长度；所述沿 Y轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿Y轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴 方向的高度，并且沿X轴方向的长度大于内圈应力梁沿X轴方向的长度。4. 根据权利要求1或2或3所述的低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，其 特征在于，所述第一应变片组用于测量空间X方向的力，包括第一应变片（R1)、第二应变片 (R2)、第三应变片（R3)、第四应变片（R4);所述第一应变片（R1)和第二应变片（R2)分别对 称设置在沿Y轴方向排布的第一内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴 轴线并靠近所述中心加载轴（5)设置；所述第三应变片（R3)和第四应变片（R4)分别对称 设置在沿Y轴方向排布的第二内圈应力梁中平行YZ坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，陈丹凤，李昂，李会军，宋光明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32