一种柔性机构自解耦六维力传感器制造技术

本发明专利技术提供一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台、固定台、内弹性梁、外弹性梁以及柔性铰链，内弹性梁的一端均固定在加载台外侧，且四个内弹性梁在加载台外侧均匀排布，八个外弹性梁每两个一组分别通过柔性铰链连接在四个内弹性梁的另一端，四个外弹性梁与内弹性梁相互垂直，四个固定台呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁之间，四个固定台的两端分别通过柔性铰链与其相邻的外弹性梁相连，四个内弹性梁上均开有一号双目形通孔，八个外弹性梁上均开设二号双目形通孔，该设计具有良好的自解耦性能，本发明专利技术结构紧凑，测量灵敏度高，精度好，滞后小，并具有良好的自解耦性能。

A Self-Decoupling Six-Dimensional Force Sensor for Flexible Mechanisms

The invention provides a self-decoupling six-dimensional force sensor for a flexible mechanism, including a loading platform, a fixed platform, an internal elastic beam, an external elastic beam and a flexible hinge. One end of the internal elastic beam is fixed outside the loading platform, and four internal elastic beams are evenly arranged outside the loading platform. Each group of eight external elastic beams passes through flexibility respectively. Hinges are connected at the other end of four internal elastic beams. Four external elastic beams and internal elastic beams are perpendicular to each other. Four fixed platforms are uniformly distributed in the circumference and are located between two adjacent external elastic beams. The two ends of four fixed platforms are connected with their adjacent external elastic beams through flexible hinges, and all four internal elastic beams are open. The design has good self-decoupling performance. The invention has compact structure, high measurement sensitivity, good precision, small lag and good self-decoupling performance.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性机构自解耦六维力传感器
本专利技术是一种柔性机构自解耦六维力传感器，属于传感器

技术介绍
六维力传感器能够同时检测空间六维力和力矩的全部信息，随着自动化、智能化水平以及机器人技术的飞速发展，已经广泛应用于航空航天、机器人、汽车制造、工业生产和医疗等各大领域，对于满足各行业的工程需求而言有着重要的作用。六维力传感器的灵敏度、维间耦合、精度和迟滞等是影响传感器使用性能的几个最重要指标。如何提高六维力传感器的灵敏度和精度，降低维间耦合、减小迟滞一直以来是备受关注的研究焦点，但迄今为止没有一个很好的解决方法。现有六维力传感器的弹性梁往往为实心梁，如专利CN103940544B、CN103487194B、CN103528746B、CN100535620C、CN105651446A等，该结构的优点是传感器刚度大、迟滞小，但缺点是灵敏度低、维间耦合大、精度低。专利CN106225977A采用了多个单向传感器，单向传感器的弹性梁为双目结构，但是该专利的弹性体为组合弹性体，存在摩擦与间隙，从而导致六维力传感器迟滞较大，影响重复性精度。为了降低传感器的维间耦合，专利CN10149102B将弹性体梁的宽度降低，从而将实心梁结构变成了板结构，该结构虽然可以减小维间耦合，但会造成传感器刚度严重降低。美国专利技术专利US6871552B2将实心弹性梁结构变为盲孔弹性梁，虽然该结构可以有效提高传感器测量灵敏度和精度，但粘贴应变片的盲孔厚度要求非常小，从而导致盲孔结构的弹性梁加工困哪，工艺性差。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种柔性机构自解耦六维力传感器，以解决上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术结构紧凑，测量灵敏度高，精度好，滞后小，并具有良好的自解耦性能。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台、固定台、内弹性梁、外弹性梁、柔性铰链和应变片，所述内弹性梁设有四个，四个所述内弹性梁的一端均固定在加载台外侧，且四个内弹性梁在加载台外侧均匀排布，所述外弹性梁设有八个，八个所述外弹性梁每两个一组分别通过柔性铰链连接在四个内弹性梁的另一端，四个所述外弹性梁与内弹性梁相互垂直，所述固定台设有四个，四个所述固定台呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁之间，四个所述固定台的两端分别通过柔性铰链与其相邻的外弹性梁相连，四个所述内弹性梁上均开有一号双目形通孔，四个所述外弹性梁上均开设二号双目形通孔，所述加载台上开有四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔一，四个所述固定台上均开有两个螺纹孔二，且固定台上的螺纹孔二对称布置，所述加载台上的螺纹孔一和固定台上的螺纹孔二均用于传感器与机械臂或末端待测设备的连接，二十四个所述应变片每四个组成一组惠斯通全桥，共组成六组惠斯通全桥分别用于六维力信息测量。进一步地，所述加载台、固定台、内弹性梁、外弹性梁以及柔性铰链共同构成本传感器的一体式弹性体结构，且一体式弹性体结通过一块铝合金材料进行一体加工而成，所述加载台位于弹性体结构中心处。进一步地，所述内弹性梁和外弹性梁均在平面内正交布置，四个所述内弹性梁相邻的两个之间的夹角为度，四个所述内弹性梁呈十字形式布置，四个所述外弹性梁每两个一组垂直分布在所连接的内弹性梁两侧,所述内弹性梁、加载台和固定台的高度相同，所述外弹性梁的高度为内弹性梁高度的一半，所述内弹性梁和外弹性梁宽度相同，所述一号双目形通孔的轴线方向为竖直方向，且一号双目形通孔的长度方向沿所在内弹性梁的轴线方向，所述二号双目形通孔的轴线方向为水平方向，且二号双目形通孔的长度方向沿所在外弹性梁的轴线方向，所述一号双目形通孔与二号双目形通孔的截面形状与尺寸依据柔性机构自解耦六维力传感器的量程进行设定。进一步地，所述柔性铰链为圆弧型柔性铰链，且圆弧型柔性铰链的圆弧形通孔的轴线方向沿竖直方向，所述一号双目形通孔、二号双目形通孔和柔性铰链共同构成了柔性机构，所述一号双目形通孔以及二号双目形通孔均为一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链均为一个单自由度的柔性转动副，且每四个对称布置的柔性铰链构成一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链包括柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链三、柔性铰链四、柔性铰链五、柔性铰链六、柔性铰链十七、柔性铰链八、柔性铰链九、柔性铰链十、柔性铰链十一、柔性铰链十二、柔性铰链十三、柔性铰链十四、柔性铰链十五以及柔性铰链十六，所述柔性铰链五、柔性铰链六、柔性铰链十五、柔性铰链十六和柔性铰链十七、柔性铰链八、柔性铰链十三、柔性铰链十四分别构成两个沿X方向的柔性移动副，柔性铰链一、柔性铰链二、柔性铰链十一、柔性铰链十二和柔性铰链三、柔性铰链四、柔性铰链九、柔性铰链十分别构成两个沿Y方向的柔性移动副。进一步地，所述一号双目形通孔和二号双目形通孔外侧的变形敏感区域设有贴片，且贴片方向沿二十四个应变片所在内弹性梁和外弹性梁的轴线方向，二十四个所述应变片包括应变片一、应变片二应变片三、应变片四、应变片五、应变片六、应变片七、应变片八、应变片九、应变片十、应变片十一、应变片十二、应变片十三、应变片十四、应变片十五、应变片十六、应变片十七、应变片十八、应变片十九、应变片二十、应变片二十一、应变片二十二、应变片二十三以及应变片二十四，所述应变片一、应变片二应变片三以及应变片四构成第一组惠斯通全桥，所述应变片五、应变片六、应变片七以及应变片八构成第二组惠斯通全桥，所述应变片二十一、应变片二十二、应变片二十三以及应变片二十四构成第三组惠斯通全桥，所述应变片十三、应变片十四、应变片十五以及应变片十六构成第四组惠斯通全桥，所述应变片十七、应变片十八、应变片十九以及应变片二十构成第五组惠斯通全桥，所述应变片九、应变片十、应变片十一以及应变片十二构成第六组惠斯通全桥，二十四个所述应变片的初始电阻值相等，构成上述六组惠斯通全桥电路。进一步地，所述内弹性梁包括第一内弹性梁、第二内弹性梁、第三内弹性梁以及第四内弹性梁，且沿圆周方向依次排列为第一内弹性梁、第二内弹性梁、第三内弹性梁、第四内弹性梁，所述外弹性梁包括第一外弹性梁、第二外弹性梁、第三外弹性梁、第四外弹性梁、第五外弹性梁、第六外弹性梁、第七外弹性梁以及第八外弹性梁，且沿圆周方向依次排列为第一外弹性梁、第二外弹性梁、第三外弹性梁、第四外弹性梁、第五外弹性梁、第六外弹性梁、第七外弹性梁以及第八外弹性梁。本专利技术的有益效果：本专利技术的一种柔性机构自解耦六维力传感器，采用一体式弹性体结构，相比于装配式传感器结构紧凑，测量精度高，重复性好，滞后小，该设计根据悬臂梁对弯曲变形敏感的特点，通过梁的弯曲变形检测全部六维力信息，利用柔性机构将一体式弹性体结构受切向力作用时内弹性梁的拉压变形转化为弯曲变形，测量灵敏度高，并对传统的实心弹性梁进行改进，在内、外弹性梁上分别开有双目型通孔，在同等外部载荷条件下，本装置的弹性梁应变更大，并主要集中在双目型通孔处，大大提高传感器的灵敏度，本装置中的一体式弹性体结构由传统的十字梁结构改进而成，整体采用对称结构，解耦性能好，对内弹性梁以及外弹性梁进行了不同的设计，使内弹性梁以及外弹性梁具有不同的敏感方向，此外，还在一体式弹性体结构中加入了柔性机构，利用内弹性梁以及外弹性梁和柔性机构对不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台(1)、固定台(2)、内弹性梁(3)、外弹性梁(4)、柔性铰链(5)和应变片(6)，其特征在于：所述内弹性梁(3)设有四个，四个所述内弹性梁(3)的一端均固定在加载台(1)外侧，且四个内弹性梁(3)在加载台(1)外侧均匀排布，所述外弹性梁(4)设有八个，八个所述外弹性梁(4)每两个一组分别通过柔性铰链(5)连接在四个内弹性梁(3)的另一端，四个所述外弹性梁(4)与内弹性梁(3)相互垂直，所述固定台(2)设有四个，四个所述固定台(2)呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁(4)之间，四个所述固定台(2)的两端分别通过柔性铰链(5)与其相邻的外弹性梁(4)相连，四个所述内弹性梁(3)上均开有一号双目形通孔(7)，四个所述外弹性梁(4)上均开设二号双目形通孔(8)，所述加载台(1)上开有四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔一(9)，四个所述固定台(2)上均开有两个螺纹孔二(10)，且固定台(2)上的螺纹孔二(10)对称布置，所述加载台(1)上的螺纹孔一(9)和固定台(2)上的螺纹孔二(10)均用于传感器与机械臂或末端待测设备的连接，二十四个所述应变片(6)每四个组成一组惠斯通全桥，共组成六组惠斯通全桥分别用于六维力信息测量。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性机构自解耦六维力传感器，包括加载台(1)、固定台(2)、内弹性梁(3)、外弹性梁(4)、柔性铰链(5)和应变片(6)，其特征在于：所述内弹性梁(3)设有四个，四个所述内弹性梁(3)的一端均固定在加载台(1)外侧，且四个内弹性梁(3)在加载台(1)外侧均匀排布，所述外弹性梁(4)设有八个，八个所述外弹性梁(4)每两个一组分别通过柔性铰链(5)连接在四个内弹性梁(3)的另一端，四个所述外弹性梁(4)与内弹性梁(3)相互垂直，所述固定台(2)设有四个，四个所述固定台(2)呈圆周均匀分布，且分别位于相邻的两个外弹性梁(4)之间，四个所述固定台(2)的两端分别通过柔性铰链(5)与其相邻的外弹性梁(4)相连，四个所述内弹性梁(3)上均开有一号双目形通孔(7)，四个所述外弹性梁(4)上均开设二号双目形通孔(8)，所述加载台(1)上开有四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔一(9)，四个所述固定台(2)上均开有两个螺纹孔二(10)，且固定台(2)上的螺纹孔二(10)对称布置，所述加载台(1)上的螺纹孔一(9)和固定台(2)上的螺纹孔二(10)均用于传感器与机械臂或末端待测设备的连接，二十四个所述应变片(6)每四个组成一组惠斯通全桥，共组成六组惠斯通全桥分别用于六维力信息测量。2.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述加载台(1)、固定台(2)、内弹性梁(3)、外弹性梁(4)以及柔性铰链(5)共同构成本传感器的一体式弹性体结构，且一体式弹性体结通过一块铝合金材料进行一体加工而成，所述加载台(1)位于弹性体结构中心处。3.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述内弹性梁(3)和外弹性梁(4)均在平面内正交布置，四个所述内弹性梁(3)相邻的两个之间的夹角为90度，四个所述内弹性梁(3)呈十字形式布置，四个所述外弹性梁(4)每两个一组垂直分布在所连接的内弹性梁(3)两侧,所述内弹性梁(3)、加载台(1)和固定台(2)的高度相同，所述外弹性梁(4)的高度为内弹性梁(3)高度的一半，所述内弹性梁(3)和外弹性梁(4)宽度相同，所述一号双目形通孔(7)的轴线方向为竖直方向，且一号双目形通孔(7)的长度方向沿所在内弹性梁(3)的轴线方向，所述二号双目形通孔(8)的轴线方向为水平方向，且二号双目形通孔(8)的长度方向沿所在外弹性梁(4)的轴线方向，所述一号双目形通孔(7)与二号双目形通孔(8)的截面形状与尺寸依据柔性机构自解耦六维力传感器的量程进行设定。4.根据权利要求1所述的一种柔性机构自解耦六维力传感器，其特征在于：所述柔性铰链(5)为圆弧型柔性铰链，且圆弧型柔性铰链的圆弧形通孔的轴线方向沿竖直方向，所述一号双目形通孔(7)、二号双目形通孔(8)和柔性铰链(5)共同构成了柔性机构，所述一号双目形通孔(7)以及二号双目形通孔(8)均为一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链(5)均为一个单自由度的柔性转动副，且每四个对称布置的柔性铰链(5)构成一个单自由度的柔性移动副，所述柔性铰链(5)包括柔性铰链一(501)、柔性铰链二(502)、柔性铰链三(503)、柔性铰链四(504)、柔性铰链五(505)、柔性铰链六(506)、柔性铰链十七(507)、柔性铰链八(508)、柔性铰链九(509)、柔性铰链十(51...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延深，闫志彪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37