对偶正交六维力传感器及测量方法技术

本发明专利技术涉及一种对偶正交六维力传感器及测量方法。它是一种新型的力解耦和各向同性机器人六维力传感器。包括上平台、下平台、弹性连杆和弹性梁。六个弹性连杆均分为三组，各组相互正交布置，弹性连杆两端分别采用双轴弹性铰链，一端连接上平台，一端通过弹性梁连接下平台，组成T型结构。与传统结构相比，它应变大，结构简单，解耦效果好，并且有效地解决了传感器刚度与灵敏度之间的矛盾。

【技术实现步骤摘要】

    本专利技术属于工业机器人领域，特别涉及一种六维力传感器及测量方法。 
技术介绍
    六维力传感器通常安装在机器手的手腕部位，用于检测机器手的受力信息，并将这种信息反馈给控制系统，从而实现对机器手各种运动状态的控制。弹性体作为感应元件，一定程度上决定了传感器性能的优劣，是六维力传感器研究的核心问题之一。随着工业机器人领域的发展，国内外已研制出多种形式的六维力传感器，但均存在一些问题。例如：美国DRAPER 实验室研的Waston六维力传感器，虽然具有承载能力强，抗冲击性能好、结构简单等优点，但也存在灵敏度低，各方向力之间干扰大等缺点；德国 Schott的双环行六维力传感器，解决了各方向力间相互干扰大的难题，但因结构的限制，其刚度与灵敏度的矛盾较大，难以协调；比利时的Brussel和以色列的Kroll同时研制出的一种四垂直筋结构六维力传感器结构简单，维间耦合小，理论分析方便，但垂直方向灵敏度较低； 1987 年，日本的Yoshikawa、Uchiyama及Bayo等人分析了Maltese十字结构六维腕力传感器，此结构是目前应用较多的一种，该传感器设计方便，理论关系简单且易于分析，维间耦合小，具有较高的刚度，但由于结构过于复杂，加工难度较大。国内方面，黄心汉等人设计了一种非径向三梁中心对称结构的六维腕力传感器，曾庆钊等研究了一种新型车轮六维力传感器；袁哲俊设计了一种八垂直筋结构六维力传感器，中科院合肥智能所和中国纺织大学先后开发了十字结构六维力传感器等，但以上所述传感器在结构、灵敏度、维间偶合以及刚度方面存在一些问题。 r>
技术实现思路
       针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种对偶正交六维力传感器及测量方法。        为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案： 一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，包括上平台，下平台，六根弹性连杆。其中，下平台三个表面各设两个弹性梁。六根弹性连杆的一端与分别对应的弹性梁相连，另一端均连接上平台，形成T形结构。根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，上平台设置圆孔，用于连接模型；下平台的三个表面按OXYZ坐标系相互垂直。 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，六根弹性连杆两两一组，分别沿X、Y、Z轴方向布置。 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，每组两根弹性连杆轴线所组成的平面相互垂直。 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，每根弹性连杆两端设置双轴弹性铰链。 根据前述的一种对偶正交六维力传感器，其特征在于，各弹性连杆的一端与相应弹性梁的中间部位相连。 根据前述的一种对偶正交六维力传感器的使用方法，其特征在于： 测量X和Mz分量时，通过粘贴于YOZ平面的弹性梁根部的应变片组成测量电路；测量Z和My分量时，通过粘贴于XOY平面的弹性梁根部的应变片组成测量电路；测量Y和Mx分量时，通过粘贴于XOZ平面的弹性梁根部的应变片组成测量电路。本专利技术具有如下优点： 1、结构简单传感器由上平台、下平台通过弹性连杆连接成整体，结构简单、紧凑，易于贴片，且对称性较好，方便加工和微型化，降低了成本。2、应变变形比大 弹性连杆与弹性梁的中部相连，在力或力矩的作用下，弹性梁成“S”变形，同时，弹性连杆的弹性铰链充分利用了材料拉压强度大于弯曲强度的特点，使测量方向上的力远大于非测量方向上的力，干扰减小，从而使测量方向力的应变变形比更大。3、解耦 该传感器三组弹性连杆相互垂直，大大降低了测量分量对其他分量的干扰，另外弹性连杆设置双轴弹性铰，使弹性杆近似于二力杆，解耦能力更佳。4、应变片数量少 本传感器的X、Mz分量，Z和My分量、Y和Mx分量分别用4个应变计，共计12片。附图说明图1是一种对偶正交六维力传感器结构示意图； 图2是图1的Z向视图；图3是图2的A向剖视图；图4是图2的B向剖视图；图5是图3的C向剖视图；图6是传感器六个分量的电桥图；图中标号名称：1、法向工作梁1，2、法向连杆1，3、法向工作梁2，4、法向连杆2，5、横向工作梁1，6、横向连杆1，7、横向工作梁2，8、横向连杆2，9、轴向连杆1，10、轴向工作梁1，11、轴向工作梁2，12、轴向连杆2，13、上平台，14、下平台，15、16、17、18为贴于轴向工作梁的应变片，19、20、21、22为贴于法向工作梁的应变片，23，24，25，26贴于横向工作梁的应变片。图6中U为供桥电压，dVx为X分量输出增量，dVy为Y分量输出增量，dVz为Z分量输出增量，dVmx为Mx分量输出增量，dVmy为My分量输出增量，dVmz为Mz分量输出增量。 具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细说明。     图1所示为一种对偶正交六维力传感三维示意图。包括上平台13，下平台14，轴向连杆9、12，法向连杆2、4，横向连杆6、8。其中，连杆9、12分别与下平台YOZ平面的弹性梁10、11相连，连杆2、4分别与下平台XOZ平面的弹性梁1、3相连，连杆6、8分别与下平台XOY平面的弹性梁5、7相连，分别形成T形结构。六根弹性连杆的另一端均连接上平台（13）。 该传感器工作中，由于三组弹性连杆相互正交，测量某一分量力时，该组弹性连杆受力远大于其余弹性连杆，抗干扰能力强。 图2为传感器结构主视图，图3、4、5为剖视图，图6为六个分量应变片的电桥图。其中图3为Y和Mx分量贴片示意图，应变片15、16、18、17组成Y分量测量电路，应变片15、16、17、18组成Mx分量测量电路。 图4为X和Mz分量贴片示意图，应变片19、20、22、21组成X分量测量电路，应变片19、20、21、22组成Mz分量测量电路。 图5为Z和My分量贴片示意图，应变片23、24、26、25组成Z分量测量电路，应变片23、24、25、26组成My分量测量电路。 该对偶正交六维力传感器充分利用机械分解和电分解，解耦效果显著。另外它还具有结构简单、应变变形比大等优点，可广泛用于机械人、采矿业、风洞测力、汽车检测、电梯缆绳张力测量等领域。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对偶正交六维力传感器，其特征在于包括：一个上平台（13）、一个下平台（14）、两根横向连杆（6，8）、两根轴向连杆（9，12）、两根法向连杆（2，4）；其中下平台（14）由XOY平面、YOZ平面、ZOX平面组成半封闭腔结构，上平台（13）呈立方体，上平台（13）位于下平台（14）的半封闭腔结构中；其中下平台（14）的XOY平面内沿Y方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三根横向梁，将其中外侧的两根横向梁称为横向工作梁（5，7）；上述两根横向连杆（6，8）分别连接于两根横向工作梁（5，7）中间部位与上平台（13）之间，横向连杆（6，8）与Z轴平行；其中下平台（14）的YOZ平面内沿Z方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三根轴向梁，将其中外侧的两根轴向梁称为轴向工作梁（10，11）；上述两根轴向连杆（9，12）分别连接于两根轴向工作梁（10，11）中间部位与上平台（13）之间，轴向连杆（9，12）与X轴平行；其中下平台（14）的ZOX平面内沿X方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三根法向梁，将其中外侧的两根法向梁称为法向工作梁（1，3）；上述两根法向连杆（2，4）分别连接于两根法向工作梁（1，3）中间部位与上平台（13）之间，法向连杆（2，4）与Y轴平行。...

【技术特征摘要】
1.一种对偶正交六维力传感器，其特征在于包括：
一个上平台（13）、一个下平台（14）、两根横向连杆（6，8）、两根轴向连杆（9，12）、两根法向连杆（2，4）；
其中下平台（14）由XOY平面、YOZ平面、ZOX平面组成半封闭腔结构，上平台（13）呈立方体，上平台（13）位于下平台（14）的半封闭腔结构中；
其中下平台（14）的XOY平面内沿Y方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三根横向梁，将其中外侧的两根横向梁称为横向工作梁（5，7）；上述两根横向连杆（6，8）分别连接于两根横向工作梁（5，7）中间部位与上平台（13）之间，横向连杆（6，8）与Z轴平行；
其中下平台（14）的YOZ平面内沿Z方向开有相互平行的四条沟槽，形成相互平行的三根轴向梁，将其中外侧的两根轴向梁称为轴向工作梁（10，11）；上述两根轴向连杆（9，12）分别连接于两根轴向工作梁（10，11）中间部位与上平台（13）之间，轴向连杆（9，12）与X轴平行；
其中下平台（14）的ZOX平面内沿X方向开有相互平行的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚裕，吕常魁，吴洪涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32