力感测装置制造方法及图纸

一种紧凑型测力单元，其同时测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力。该紧凑型测力单元包括围绕点布置在传感器平面中并与该点间隔距离d的至少三个力感测元件(优选为四个)。所有力感测元件可以间隔相同的距离，或者对于一个或多个力感测元件，距离可以不同。每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器。承载板与力传递介质接触，并且承载杆的一端在传感器平面的点上方连接到承载板并且延伸到承载平面。作用在承载平面中的力通过承载杆和承载板传递到传感器平面。分解力以确定作用在承载平面上的法向力和剪切力。紧凑型测力单元可以用于确定作用在例如无人机上的力。

Force Sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】力感测装置
本专利技术涉及力感测领域。更具体地，本专利技术涉及一种能够以3个或更多个自由度分辨接触力的接触力探针组件。
技术介绍
近年来，已经基于气压转换器开发了力感测装置。在题为“TactileSensor(触觉传感器)”、公开号为US2014/0260678的美国专利中描述了一个最近的示例。该专利申请描述了一种由包封在弹性材料中的压力转换器形成的触觉传感器。弹性材料限定触觉传感器的接触表面并用于将施加到接触表面的接触力传递到转换器。该专利申请中描述的触觉传感器紧凑且重量轻(约10克)。该专利申请提出了触觉传感器的许多应用，包括对机械手的控制、工业自动化中的产品刚度测试、平衡和调平应用、触觉等。US2014/0260678中描述的每个传感器包括围绕安装在印刷电路板上的压力转换器的腔室。腔室填充有弹性材料，该弹性材料从腔室中的开口扩展以提供接触表面。压力转换器例如是可从美国德克萨斯州奥斯汀的飞思卡尔半导体公司(FreescaleSemiconductorInc)获得的MEMS(微机电系统)MPL115A2绝对压力传感器。Reeks等人最近描述了一种力感测装置(“AngledSensorConfigurationCapableofMeasuringTri-AxialForcesforpHRI(能够为pHRI测量三轴力的成角传感器配置)”；ChristianReeks、MarcGCarmichael、DikiaLiu、KennethJWaldron；2016IEEE机器人与自动化国际会议；瑞典斯德哥尔摩，2016年5月16日至21日)，其使用成角度的传感器阵列来测量沿每个笛卡尔轴(X、Y和Z)施加的外力。力感测装置使用以马耳他(Maltese)十字形格式布置的四个气压感测装置，每个气压感测装置相对于相互作用表面成角度，优选地成45度。四个气压感测装置布置在印刷电路板上并用聚氨酯橡胶封装。与上述装置一样，气压感测装置形成有具有开口的腔室，腔室填充有聚氨酯橡胶，以将接触力传递到感测装置。已知的装置在其应用中受到限制，因为每个装置仅测量有限范围的力。
技术实现思路
在一种形式中，尽管它不必是唯一的或实际上最宽的形式，但本专利技术在于一种紧凑型测力单元，其同时测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力，该紧凑型测力单元包括：至少三个力感测元件，其围绕点布置在传感器平面中并与该点间隔距离d，每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器；承载板，其与力传递介质接触；承载杆，其在一端处在传感器平面的点上方连接到承载板并延伸到承载平面；其中，作用在承载平面中的力通过承载杆和承载板传递到传感器平面。传感器平面适当地包括印刷电路板，并且力感测元件与印刷电路板结合并电连接。印刷电路板适当地包括信号处理电子器件。力感测元件可以围绕点均匀布置，例如在以该点为中心的等边三角形的拐角处，或者每个感测元件非均匀地距该点不同距离d。力传递介质优选为聚氨酯橡胶，并且承载板适当地由聚甲基丙烯酸甲酯制成。通过任何适当的方法将承载板结合到力传递介质上，但最合适的是通过胶合。承载杆可以是固定到承载板中心的柔性杆，最方便地是通过胶合。适当的柔性杆是碳棒。替代地，承载杆可以是固定到整个承载板的更大结构，或者是承载板的主要部分。在一种形式中，承载杆是驱动UAV的转子的电动机。转子的轴线与承载板的中心对齐，使得作用在转子上的力传递到传感器平面。紧凑型测力单元适当地固定在参考平面上。参考平面可以是移动平面，诸如工具的工作表面、机器人的抓握表面、UAV的机身或类似情况。在另一种形式中，本专利技术在于一种紧凑型测力单元阵列，其附接到对象和处理器上，每个紧凑型测力单元是上述类型的测力单元，处理器接收来自每个紧凑型测力单元的读数并计算对象的推力和速度。适当地，存在至少两个紧凑型测力单元，并且每个紧凑型测力单元具有至少三个力感测元件。优选地，存在四个紧凑型测力单元，每个紧凑型测力单元具有四个传感器元件。适当地，对象是四旋翼飞行器UAV，并且存在四个紧凑型测力单元，每个紧凑型测力单元都偏离四旋翼飞行器UAV的质心。处理器适当地根据紧凑型测力单元的测量结果确定以下中的一个或多个：俯仰；偏航；滚转；x轴运动；y轴运动；和z轴运动。在又一种形式中，本专利技术在于一种测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力的方法，包括以下步骤：将法向力和剪切力传递到紧凑型测力单元的承载板，该紧凑型测力单元包括围绕点布置在传感器平面中并且与该点间隔距离d的至少三个力感测元件，每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器，其中，承载板与力传递介质接触；测量每个力感测元件上的力；以及根据每个压力感测元件上的力来计算承载平面中的法向力和剪切力，d和h。在又一种形式中，本专利技术在于一种通过以下步骤确定四旋翼飞行器的推力和速度的方法：在机身和每个转子之间布置上述类型的紧凑型测力单元；确定每个转子的法向力和剪切力；根据法向力和剪切力来计算UAV的推力和速度。从以下详细描述中，本专利技术的其他特征和优点将变得显而易见。附图说明为了帮助理解本专利技术并使本领域技术人员能够将本专利技术付诸实践，将仅通过示例的方式参考附图来描述本专利技术的优选实施例，其中：图1示出根据本专利技术的测力单元的第一实施例；图2示出图1的测力单元的另一视图；图3是图1的测力单元的一个传感器的示意图；图4示出采用图1的测力单元的接触探针；图5示出图4的接触探针被负载移位；图6示出来自图4和图5的接触探针的输出信号；图7示出采用测力单元来测量推力和速度的四旋翼飞行器；图8示出图7的四旋翼飞行器上的力；图9示出用于图7的应用的控制系统；图10示出在图7的应用中采用的测力单元；图11示出图10的测力单元的反向视图；图12是替代性测力单元配置的示意图；图13是另一替代性测力单元配置。具体实施方式本专利技术的实施例主要在于紧凑型测力单元和制造紧凑型测力单元的方法。因此，紧凑型测力单元的元件已在附图中以简明的示意图形式示出，附图仅示出理解本专利技术的实施例所需的那些具体细节，而以免通过对于受益于本说明书的本领域普通技术人员而言很明显的过多细节使本公开内容模糊不清。在本说明书中，诸如第一和第二、左和右等词可以仅用于将一个要素或动作与另一要素或动作区分开，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。诸如“包括”或“包含”的词旨在定义非排他性包含，使得包括所列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，包括这种过程、方法、物品或装置固有的要素。参考图1，示出根据第一实施例的紧凑型测力单元10。紧凑型测力单元10由以交叉配置安装在印刷电路板(PCB)12上的四个MEMS压力传感器11组成。每个压力传感器11封装在力传递介质13(诸如聚氨酯橡胶(PUR))中。在图2中最清楚地看到聚氨酯橡胶。PCB12包括微控制器和接口连接，其方便地是USB连接。在下面更详细地描述PCB。承载板14被固定、适当地胶合到PUR13的顶部。在图2中已经移除了承载板14，以使PUR13更加可见。专利技术人已经发现聚氨酯橡胶是特别合适的力传递介质，但也可以使用其他材料。例如，也可以使用硅橡胶材料。要求是力传递介质将从接触表面施加到接触表面的力传递到压力传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型测力单元，其同时测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力，所述紧凑型测力单元包括：至少三个力感测元件，其围绕点布置在所述传感器平面中并与所述点间隔距离d，每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器；承载板，其与所述力传递介质接触；承载杆，其在一端处在所述传感器平面的所述点上方连接到所述承载板并延伸到所述承载平面；其中，作用在所述承载平面中的力通过所述承载杆和所述承载板传递到所述传感器平面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.24 AU 20169048341.一种紧凑型测力单元，其同时测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力，所述紧凑型测力单元包括：至少三个力感测元件，其围绕点布置在所述传感器平面中并与所述点间隔距离d，每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器；承载板，其与所述力传递介质接触；承载杆，其在一端处在所述传感器平面的所述点上方连接到所述承载板并延伸到所述承载平面；其中，作用在所述承载平面中的力通过所述承载杆和所述承载板传递到所述传感器平面。2.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述力感测元件围绕所述点均匀布置。3.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述力感测元件非均匀地布置，每个感测元件与所述点的距离d不同。4.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述传感器平面包括印刷电路板，并且所述力感测元件与所述印刷电路板结合并电连接。5.根据权利要求4所述的紧凑型测力单元，其中，所述印刷电路板适当地包括信号处理电子器件。6.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述传感器平面包括单模MEMS力-扭矩传感器。7.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述力传递介质是聚氨酯橡胶。8.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述承载板由聚甲基丙烯酸甲酯制成。9.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述承载板结合到所述力传递介质。10.根据权利要求9所述的紧凑型测力单元，其中，所述结合是胶合。11.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述承载杆是固定至所述承载板中心的柔性杆。12.根据权利要求11所述的紧凑型测力单元，其中，所述固定是胶合。13.根据权利要求11所述的紧凑型测力单元，其中，所述柔性杆是碳棒。14.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述承载杆固定至整个承载板或所述承载板的主要部分。15.根据权利要求1所述的紧凑型测力单元，其中，所述承载杆是驱动UAV的转子的电动机。16...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·庞兹，E·戴维斯，M·布鲁伊格，
申请(专利权)人：昆士兰大学，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU