一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于同时获取全力信息的小量程、小尺寸六维力传感器，主要应用于机器人学相关研究和需要进行全力信息获取的场合。该传感器利用厚膜技术，以陶瓷材料的十字梁连接双Ｅ型膜片组成传感器的弹性体结构，在陶瓷基体上烧结厚膜力敏电阻，通过特殊的组桥方式和解耦实现对三维力和三维力矩的同时测量。本发明专利技术还可拓展至用其它弹性材料的应变式六维力传感器或装置的设计与实现。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及机器人学中的多指灵巧手、微驱动操作系统智能控制以及虚拟现实或临场感等
，特别涉及一种能够同时实现对六维力信息获取的传感器，以及通过解耦同时实现对三维力和三维力矩信息独立获取的技术。自八十年代初各国开始对机器人腕力或称六维力传感器开展研究，近年来，美国Assurance Tec．公司生产出小型化六维力传感器Nano和Mini型，前者外径17mm，后者为40mm。但其量程均较大，而关于小量程至数牛顿级的产品和研究没有报导。从结构上来说，目前广泛采用的是十字梁与浮动梁合成形式，形成复杂的机械结构和粘贴应变片方式，加工实现复杂，无法实现小尺寸结构，并且各个方向之间存在强耦合的情况。专利EP0381187A2(G01L1／20)提出了一种采用压阻元件实现对三维力或三维力矩的传感器，从结构上来看，是平面单E型膜结构，工艺上采用硅材料以微电子方法实现的，虽然克服了专利EP0333872A1(G01L1／18)所提到的三维力传感器灵敏度不一致、粘接等缺点，但是两种方式对灵敏度和量程控制均非常复杂，实现成本也很高。另一突出的问题是EP0333872A1和EP0381187A2只能实现对三维力或三维力矩的测量，EP0333872A1可以同时获取其中的两个量，EP0381187A2可以同时获取其中的四个量，不能够同时实现对三维力和三维力矩六维信息的获取。力觉传感器是机器人最重要的传感器之一，六维力传感器则是能获取全力信息的最具代表性的力觉传感器。而对于机器人学中日趋活跃的微驱动操作技术、多指灵巧手及临场感技术等研究中又迫切需要小尺寸和小量程的六维力传感器。本专利技术的目的在于提供一种新型结构的，可以有效获取全力信息的力觉传感器，以满足上述研究领域的应用需要。本专利技术的技术方案是一种十字梁连接双E型圆膜结构的六维力传感器，包括底座(1)、下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)、加载连结板(5)、上金属圆片(6)、下金属圆片(7)，它们共同构成本专利技术的双E型膜十字梁结构的六维力传感器，其特征在于十字梁(3)对接在上金属圆片(6)和下金属圆片(7)的十字槽中并固定其中间，上金属圆片(6)的上面与上E型圆膜片(4)连接，在上E型圆膜片(4)的上面安装有加载连结板(5)，通过加载连结板(5)与外加载荷连接在一起；下金属圆片(7)的下面与下E型圆膜片(2)连接，在下E型圆膜片(2)的下面连接底座(1)；所述的下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)的材料为97％的Al2O3烧结体陶瓷。这种立体结构可以将力Fx、Fy测量与力矩Mx、My测量分别置于两个E型膜片上，底座(1)和加载连接板(5)方便于基座与负载之间的初械连接。本专利技术还提供一种用于同时获取三维力和三维力矩信息的六维力方法，其特征在于下E型圆膜片(2)、十字梁(3)、上E型圆膜片(4)上烧结有钌系厚膜力敏电阻。上下E型圆膜片2、4和十字梁3的敏感面内的厚膜力敏电阻均以对称方式布置。上述各单元中的厚膜力敏电阻通过不同的敏感桥路布置方式实现对六维力信息的获取，并通过解耦消除相互之间的耦合，同时实现三维力和三维力矩的全力信息获取；X、Y方向力矩信息获取敏感桥路采用在上E型圆膜片(4)平面内互相垂直布置，其厚膜力敏电阻布置位置方向与下E型圆膜片(2)相同，其中上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力矩Mx的测量；上E型圆膜片(4)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力矩My的测量；十字梁(3)上的四个厚膜电阻布置在同一梁平面内，并采用沿上下、左右对称轴对称布置，用来获取力矩Mz的信息；下E型圆膜片(2)、和上E型圆膜片(4)的两个敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息获取敏感桥路电阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y在下E型圆膜片(2)平面内互相垂直布置，Z方向力信息获取敏感电阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圆膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1x、R2x、R3x、R4x用来实现对力Fx的测量；下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1y、R2y、R3y、R4y用来实现对力Fy的测量；下E型圆膜片(2)敏感面上电阻R1z、R2z、R3z、R4z用来实现对力Fz的测量；上E型圆膜片(2)敏感面上的电阻R1z、R2z、R3z、R4z还可以提供一路对力Fz的冗余信息；所述的六维力传感器结构和敏感桥路布置方式，可以通过改变敏感元件位置或弹性体结构尺寸，实现传感器的各个方向输出灵敏度调整和量程改变，能满足不同量程和不同灵敏度要求的六维力传感器和六维力装置的实际需要；通过选择金属弹性体材料加工成十字梁连接的双E型圆膜结构，同样可以制造出本专利技术所表述的应变式六维力信息获取的传感器或装置；所述的十字梁(3)与双E型膜片(2)、(4)还可以采用整体加工形式的一体化结构，通过改变十字梁(3)的高度、宽度和厚度，以及上下E型膜片(2)、(4)不同的几何尺寸实现对传感器六个力分量的灵敏度独立调控，在不影响检测精度前提下，使传感器满足不同应用场合的量程要求。本专利技术的有益效果是通过采用厚膜工艺在以陶瓷为弹性体材料的双E型膜片及十字梁上烧结敏感元件实现对六维全力信息的获取，这种结构、工艺和信号获取方法容易实现从微小型化尺寸到大尺寸的各种不同量程六维力传感器的设计，并可以通过改变膜片和梁的厚度、尺寸等结构参数实现对传感器各个方向的灵敏度调整，以满足不同场合下机器人全力感知系统的使用要求。本专利技术采用的十字梁连接的双E型膜结构，可以实现对三维力和三维力矩信息的同时获取，解决了以力矩形式获取力信息和获取力矩信息之间的矛盾，克服了目前六维力传感器的强耦合问题。本专利技术采用连接双E型膜的十字梁，其水平和垂直方向上的钢度远大于其绕Z轴扭转钢度，因此既是本专利技术的双E型膜的联结和力传递构件，同时又是获取Mz力矩信息的敏感弹性体。这种独立的十字梁结构克服了Mz力矩与其他方向力和力矩之间的相互干扰问题，并且通过改变十字梁的结构尺寸容易实现灵敏度的调整，克服了目前一些专利中Mz的刚度与其他方向刚度相互制约而产生的不均衡问题，因此本专利技术有较大的设计调整空间和灵活性。本专利技术特别对目前机器人学研究中日趋活跃的微驱动操作技术、多指灵巧手及临场感技术研究中迫切需要小尺寸和小量程的六维力传感器有十分重要的意义。其结构尺寸的调整和敏感单元布置位置的改变，以及弹性体的改变可以实现不同灵敏度和不同量程的六维力传感器或六维力装置的需要。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明附图说明图1为本专利技术的外形结构剖面示意图。图2为本专利技术的立体结构示意图。图3为金属圆片结构尺寸剖面图。图4为上下E型圆膜片上敏感电阻布置位置示意图。图5为中间十字梁陶瓷上敏感电阻布置位置示意图。图6为传感器受到力Fx、Fy、Fz作用下E型圆膜片应变图。图7为传感器受到力矩Mx、My、作用下的E型圆膜片应变图。图8为传感器受到力矩Mz作用下的应变立体示意图和敏感平面应变图。图1为本专利技术的外形结构剖面示意图。两个E型圆膜片2、4通过中间陶瓷十字梁3固接在一起，十字梁和E型圆膜片之间通过固接在两圆膜片上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器，包括底座（１）下Ｅ型圆膜片（２）、十字梁（３）、上Ｅ型圆膜片（４）、加载连结板（５）、上金属圆片（６）、下金属圆片（７），其特征在于： 六维力传感器是十字梁连接的双Ｅ型圆膜结构，其中十字梁（３）对接在上金属圆片（６）和下金属圆片（７）的十字槽中并固定于其中间，上金属圆片（６）的上面与上Ｅ型圆膜片（４）连接，在上Ｅ型圆膜片（４）的上面安装有加载连结板（５），通过加载连结板（５）与外加载荷连接在一起； 下金属圆片（７）的下面与下Ｅ型圆膜片（２）连接，在下Ｅ型圆膜片（２）的下面连接传感器底座（１）； 所述的下Ｅ型圆膜片（２）、十字梁（３）、上Ｅ型圆膜片（４）的材料为９７％的ＡＬ↓［２］Ｏ↓［３］烧结体陶瓷。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：戈瑜，葛运建，吴仲城，马军，虞承端，
申请(专利权)人：中国科学院合肥智能机械研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]