具有过载结构的膜-梁式六维力传感器及其容错测量方法技术

本发明专利技术涉及一种具有过载结构的膜

【技术实现步骤摘要】
具有过载结构的膜
‑
梁式六维力传感器及其容错测量方法


[0001]本专利技术涉及六维力传感器测量
，具体涉及一种具有过载结构的膜
‑
梁式六维力传感器及其容错测量方法。

技术介绍

[0002]六维力传感器作为智能机械手臂关键部件之一，可以协助机械臂获取末端的三维力及三维力矩信息，实现机械臂末端自动力反馈控制，从而更好地执行末端作业任务。
[0003]为了保证航天发动机的工作性能，需要对航天发动机内部进行检测，由于某些型号的航天发动机检修口口径较小(例如Φ74mm)，人无法直接进行相关操作，采用智能机械手臂进入发动机内部进行操作是一个可行的方案。智能机械手臂的腕部装有六维力传感器，末端装有灵巧手爪，手爪上搭载有照明和摄像等设备，这些设备本身就加重了六维力传感器的负载，特别是在机械臂处于水平状态时。若智能机械手臂在作业过程中发生碰撞、操作失误或较大的抖动等情况，六维力传感器在Mx和My方向就更容易发生过载破坏，这就要求安装在智能机械手臂腕部的六维力传感器的外径尺寸小于检修口尺寸，还要在Mx和My方向具有较高的过载能力。不仅如此，由于空间环境的特殊性，如果发生损坏，传感器不能进行维修，因此为了提高六维力传感器的使用可靠性，要求六维力传感器在某一维损坏的情况下，依然具备测量能力，即六维力传感器具有一定的容错测量能力。
[0004]目前，现有技术中已经出现一些具有过载保护机构的六维力传感器，但是它们在Mx和My方向过载能力相对其它方向较弱，且不具备容错测量能力，并不适用空间特殊环境。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供了一种具有过载结构的膜
‑
梁式六维力传感器及其容错测量方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]在本专利技术的第一方面，公开了一种具有过载结构的膜
‑
梁式六维力传感器，该六维力传感器包括：
[0008]保护基座、安装于所述保护基座上的膜
‑
梁式弹性体以及罩设在所述膜
‑
梁式弹性体的一端外侧的保护端盖；所述膜
‑
梁式弹性体中安装有十字保护块。
[0009]进一步的，所述膜
‑
梁式弹性体包括由依次同轴设置的加载环、环形膜片和固定环形成的弹性体主体以及嵌入设置在所述弹性体主体中间的传力柱；所述传力柱通过若干根矩形梁与所述弹性体主体相连；所述加载环、矩形梁、传力柱、环形膜片和固定环一体成型；
[0010]所述十字保护块嵌入安装在所述弹性主体的上端内侧且位于所述传力柱及所述矩形梁的上方；
[0011]所述加载环上设置有若干个均匀分布的端盖固定螺纹孔、扇形凸台和扇形凹槽；
[0012]所述扇形凸台上设有加载螺纹孔；
[0013]所述传力柱上设有若干个引线孔和中间通孔；
[0014]所述固定环侧面设置有若干个均匀分布的连接固定孔，所述固定环底部台阶上设置有若干个底盖固定孔。
[0015]进一步的，所述矩形梁的数量为四根，分别为第一矩形梁、第二矩形梁、第三矩形梁和第四矩形梁；
[0016]所述矩形梁沿所述传力柱的外周均匀分布；
[0017]所述四根矩形梁上贴有三组应变片，每组四片，组成第一惠斯通全桥电路；所述第一惠斯通全桥电路，用于测量X方向力矩、Y方向力矩和Z方向力矩；
[0018]测量X方向力矩即Mx的应变片分别为R1、R2、R3和R4，其中，R1和R2分别贴在所述第一矩形梁的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R3和R4分别贴在所述第三矩形梁的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R1、R2、R3和R4构成惠斯通全桥电路Ⅰ；
[0019]测量Y方向力矩即My的应变片分别为R5、R6、R7和R8，其中，R5和R6分别贴在第二矩形梁的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R3和R4分别贴在第四矩形梁的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R5、R6、R7和R8构成惠斯通全桥电路Ⅱ；
[0020]测量Z方向力矩即Mz的应变片分别为R9、R10、R11和R12，其中，R9和R10分别贴在第一矩形梁的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，R11和R12分别贴在第三矩形梁的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，或者R9和R10分别贴在第二矩形梁的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，R11和R12分别贴在第四矩形梁的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，R9、R10、R11和R12构成惠斯通全桥电路Ⅲ。
[0021]所述四根矩形梁的尺寸相同，四根矩形梁位于所述加载环与所述传力柱之间；所述加载环的上端面高于所述传力柱的上端面，至少高2mm；所述传力柱的上端面高于所述矩形梁的上表面，至少高1mm；所述圆环膜片位于所述固定环和所述传力柱之间，且位于所述传力柱的下端，所述传力柱的下端面高于所述圆环膜片的下端面，至少高1mm；所述四根矩形梁的下端面与所述圆环膜片的上端面之间存在间隙。
[0022]进一步的，所述环形膜片上贴有三组应变片，每组四片，组成第二惠斯通全桥电路；所述第二惠斯通全桥电路，用于测量X方向力、Y方向力和Z方向力；
[0023]测量X方向力即Fx的应变片分别为R13、R14、R15和R16，构成惠斯通全桥电路Ⅳ，分别沿环形膜片的X轴方向粘贴；
[0024]测量Y方向力即Fy的应变片分别为R17、R18、R19和R20，构成惠斯通全桥电路
Ⅴ
，分别沿环形膜片的Y轴方向粘贴；
[0025]测量Z方向力即Fz的应变片分别为R21、R22、R23和R24，构成惠斯通全桥电路
Ⅵ
，分别沿环形膜片的与Y轴或Z轴旋转45
°
的直径方向粘贴；Fx、Fy和Fz方向的应变片均靠所述环形膜片的外径和内径处粘贴。
[0026]进一步的，所述保护端盖包括圆形平板和套设在所述圆形平板外侧的圆环柱；所述圆形平板与所述圆环柱一体成型；
[0027]所述圆形平板上设有沿圆周分布的若干个沉孔和若干个扇形孔；所述圆形平板下平面设有一个圆形凹槽；
[0028]所述保护端盖上的沉孔与所述加载环上的端盖固定孔通过螺钉固定连接；
[0029]所述扇形孔与所述扇形凸台配合安装，所述扇形凸台高于或等于所述圆形平板。
[0030]进一步的，所述保护基座包括：底板和依次设置在所述底板上方的第一凸台与第
二凸台；所述第一凸台与所述第二凸台形成台阶面；
[0031]所述底板上设置有若干个沉孔，底板中间设置有凹槽；
[0032]所述第一凸台的侧边设置有电缆出线孔；
[0033]所述第二凸台上设置有若干螺纹孔和销孔；
[0034]所述底板、第一凸台和第二凸台一体成型；
[0035]所述沉孔与所述底盖固定孔之间通过螺钉固定连接。
[0036]进一步的，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有过载结构的膜
‑
梁式六维力传感器，其特征在于，该六维力传感器包括：保护基座(4)、安装于所述保护基座(4)上的膜
‑
梁式弹性体(3)以及罩设在所述膜
‑
梁式弹性体(3)的一端外侧的保护端盖(1)；所述膜
‑
梁式弹性体(3)中安装有十字保护块(2)。2.根据权利要求1所述的六维力传感器，其特征在于，所述膜
‑
梁式弹性体(3)包括由依次同轴设置的加载环(31)、环形膜片(34)和固定环(35)形成的弹性体主体以及嵌入设置在所述弹性体主体中间的传力柱(33)；所述传力柱(33)通过若干根矩形梁与所述弹性体主体相连；所述加载环(31)、矩形梁、传力柱(33)、环形膜片(34)和固定环(35)一体成型；所述十字保护块(2)嵌入安装在所述弹性主体的上端内侧且位于所述传力柱(33)及所述矩形梁的上方；所述加载环(31)上设置有若干个均匀分布的端盖固定螺纹孔(311)、扇形凸台(312)和扇形凹槽(314)；所述扇形凸台(312)上设有加载螺纹孔(313)；所述传力柱(33)上设有若干个引线孔和中间通孔；所述固定环(35)侧面设置有若干个均匀分布的连接固定孔，所述固定环(35)底部台阶上设置有若干个底盖固定孔(352)。3.根据权利要求2所述的六维力传感器，其特征在于，所述矩形梁的数量为四根，分别为第一矩形梁(321)、第二矩形梁(322)、第三矩形梁(323)和第四矩形梁(324)；所述矩形梁沿所述传力柱(33)的外周均匀分布；所述四根矩形梁上贴有三组应变片，每组四片，组成第一惠斯通全桥电路；所述第一惠斯通全桥电路，用于测量X方向力矩、Y方向力矩和Z方向力矩；测量X方向力矩即Mx的应变片分别为R1、R2、R3和R4，其中，R1和R2分别贴在所述第一矩形梁(321)的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R3和R4分别贴在所述第三矩形梁(323)的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R1、R2、R3和R4构成惠斯通全桥电路Ⅰ；测量Y方向力矩即My的应变片分别为R5、R6、R7和R8，其中，R5和R6分别贴在第二矩形梁(322)的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R3和R4分别贴在第四矩形梁(324)的上表面沿径向中心对称轴且靠近两端边缘位置，R5、R6、R7和R8构成惠斯通全桥电路Ⅱ；测量Z方向力矩即Mz的应变片分别为R9、R10、R11和R12，其中，R9和R10分别贴在第一矩形梁(321)的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，R11和R12分别贴在第三矩形梁(323)的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，或者R9和R10分别贴在第二矩形梁(322)的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，R11和R12分别贴在第四矩形梁(324)的两侧面沿径向中心对称轴且靠近内端边缘位置，R9、R10、R11和R12构成惠斯通全桥电路Ⅲ；所述四根矩形梁的尺寸相同，四根矩形梁位于所述加载环(31)与所述传力柱(33)之间；所述加载环(31)的上端面高于所述传力柱(33)的上端面，至少高2mm；所述传力柱(33)的上端面高于所述矩形梁的上表面，至少高1mm；所述圆环膜片(34)位于所述固定环(35)和所述传力柱(33)之间，且位于所述传力柱(33)的下端，所述传力柱(33)的下端面高于所述
圆环膜片(34)的下端面，至少高1mm；所述四根矩形梁的下端面与所述圆环膜片(34)的上端面之间存在间隙。4.根据权利要求2所述的六维力传感器，其特征在于，所述环形膜片(34)上贴有三组应变片，每组四片，组成第二惠斯通全桥电路；所述第二惠斯通全桥电路，用于测量X方向力、Y方向力和Z方向力；测量X方向力即Fx的应变片分别为R13、R14、R15和R16，构成惠斯通全桥电路Ⅳ，分别沿环形膜片(34)的X轴方向粘贴；测量Y方向力即Fy的应变片分别为R17、R18、R19和R20，构成惠斯通全桥电路
Ⅴ
，分别沿环形膜片(34)的Y轴方向粘贴；测量Z方向力即Fz的应变片分别为R21、R22、R23和R24，构成惠斯通全桥电路
Ⅵ
，分别沿环形膜片(34)的与Y轴或Z轴旋转45
°
的直径方向粘贴；Fx、Fy和Fz方向的应变片均靠所述环形膜片(34)的外径和内径处粘贴。5.根据权利要求2所述的六维力传感器，其特征在于，所述保护端盖包括圆形平板(11)和套设在所述圆形平板(11)外侧的圆环柱(12)；所述圆形平板(11)与所述圆环柱(12)一体成型；所述圆形平板(11)上设有沿圆周分布的若干个沉孔(111)和若干个扇形孔(112)；所述圆形平板(11)下平面设有一个圆形凹槽(113)；所述保护端盖(1)上的沉孔(111)与所述加载环(31)上的端盖固定孔(311)通过螺钉固定连接；所述扇形孔(...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉香，马雪莉，曹会彬，江曼，王大庆，高理富，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：