專利名稱：三維小量程力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力傳感器，尤其涉及一種用于可在三維方向同步測試1.5N以下三維力的力傳感器。
背景技術(shù)：
壁虎、蜘蛛、昆蟲等生物具有能夠在光滑或粗糙的墻面、天花板上自如運(yùn)動的能力，深入研究上述具有全空間運(yùn)動能力動物的運(yùn)動規(guī)律，可以為研制出能夠在墻面、天花板上爬行的機(jī)器人提供理論依據(jù)。研究動物運(yùn)動，動物腳掌與爬行表面之間的接觸力是最重要的信息之一?？梢越沂緞游镌趶?fù)雜環(huán)境下運(yùn)動的規(guī)律，為設(shè)計(jì)出能適應(yīng)各種工況的機(jī)器人，提供運(yùn)動機(jī)構(gòu)、步態(tài)等方面的仿生力學(xué)資料。
1994年，清華大學(xué)張國華等研制雙杠三維測力系統(tǒng)。該系統(tǒng)由安裝在雙杠四根支腳上的4個(gè)三維測力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、7T17S數(shù)字信號處理機(jī)組成，可提供各種實(shí)時(shí)處理的測量數(shù)據(jù)及圖形。經(jīng)運(yùn)動員實(shí)際測試，取得了比較滿意的結(jié)果，可用于雙杠運(yùn)動員的實(shí)際訓(xùn)練中。傳感器采用對徑受壓圓環(huán)結(jié)合圓柱受彎形式來測定三維力。應(yīng)變片組全橋。豎直方向(z方向)量程2000N，水平方向(x、y方向)量程1000N，測力誤差在5％以內(nèi)。
2000年，美國學(xué)者Autumn等用二維微牛級壓阻式傳感器研究了大壁虎單個(gè)剛毛的粘附力，認(rèn)為壁虎在零/負(fù)表面的附著力為Van der Waals力。烏克蘭Gorb用二維傳感器測定了蜜蜂在不同表面腳掌接觸的力學(xué)規(guī)律。
2002年，合肥智能機(jī)械所孫立等設(shè)計(jì)出了一種新型的三維力傳感器?？紤]了傳統(tǒng)力學(xué)量傳感器的動力學(xué)性能和靜態(tài)標(biāo)定指標(biāo)等特性，對其各維靈敏度及維間耦合系數(shù)等指標(biāo)予以充分考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)做到了對所測維的力有較好的靈敏度，而對于非所測維力盡可能不靈敏，這樣使維間耦合小，同時(shí)保證整個(gè)結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。三個(gè)方向的力量程均為0～3000N。
由于壁虎、蜘蛛等動物的體重較輕，在不同的平面爬行時(shí)接觸力的大小一般在幾十到幾百毫牛之間，上述已有的傳感器從測力范圍、分辨率及維數(shù)三個(gè)方面都不適合對其接觸力進(jìn)行檢測。因此必須研制出適合測量壁虎、蜘蛛等動物腳掌接觸力的三維力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種生物力學(xué)測試中使用的三維小量程力傳感器，可以精確地測試壁虎、蜘蛛等動物爬行時(shí)腳掌與接觸面的X、Y、Z三個(gè)方向上的接觸力。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的三維小量程力傳感器為整體的倒“T”形結(jié)構(gòu)，包括由彈性體制得的水平梁和垂直梁。其中，水平梁左端沿Y方向開有一個(gè)左端“H”型通孔，右端沿Y方向開有一個(gè)右端“H”型通孔。左端“H”型通孔和右端“H”型通孔對稱設(shè)置。左端“H”型孔的左端上下壁的外表面各貼一片應(yīng)變片，右端“H”型孔的右端上下壁的外表面各貼一片應(yīng)變片，這四片應(yīng)變片構(gòu)成第一組惠斯登電橋。垂直梁上設(shè)有兩個(gè)“H”型通孔第一“H”型孔和第二“H”型孔。其中，第一“H”型通孔沿Y方向設(shè)于垂直梁上靠近水平梁的底部，第一“H”型通孔下端左右壁的外表面各貼兩片應(yīng)變片，這四個(gè)應(yīng)變片組成第二組惠斯登電橋；第二“H”型通孔沿X方向設(shè)于第一“H”型通孔的上方，在第二“H”型通孔的下端前后壁的外表面各貼兩片應(yīng)變片，這四個(gè)應(yīng)變片組成第三組惠斯登電橋。上述各通孔是沿其深度方向分別沿X、Y、Z三個(gè)方向設(shè)置，各應(yīng)變片貼附于各“H”型通孔相應(yīng)位置的梁的薄壁的外表面；水平梁和垂直梁的彈性體材料采用硬鋁合金。
垂直梁上的第二“H”型通孔的上方設(shè)有腰形孔，以減輕垂直梁的自身重量，減小對量測結(jié)果的影響。
水平梁的一端設(shè)有接線柱，用于連接從應(yīng)變片引出的導(dǎo)線，該接線柱與水平梁為整體結(jié)構(gòu)，接線柱可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)于右端或左端。
水平梁上的左端“H”型通孔和右端“H”型通孔兩端的間距為35mm-42mm，垂直梁上的第一“H”型通孔的下端與水平梁上表面的距離為2mm-6mm，第二“H”型通孔的下端與第一“H”型通孔的上端的距離為3mm-6mm。
當(dāng)在垂直梁頂部受到沿Z方向的力時(shí)，通過水平梁上的一組應(yīng)變片可以測出Z方向作用力的大??；當(dāng)在垂直梁頂部受到沿X方向的力時(shí)，通過垂直梁靠近水平梁的第一“H”型孔上的一組應(yīng)變片可以測出所受X方向作用力的大?。划?dāng)在垂直梁頂部受到沿Y方向的作用力時(shí)，通過垂直梁上的第二“H”型孔上的一組應(yīng)變片可以測出Y方向作用力的大小。
3、有益效果本發(fā)明的三維小量程力傳感器適合于測量壁虎、蜘蛛等動物爬行時(shí)腳掌接觸力，還可用于機(jī)器人手指、手腕的力參數(shù)測試。這種結(jié)構(gòu)利用了應(yīng)力集中，在不減弱彈性體剛度的條件下，可以測得較大應(yīng)變的原理，同時(shí)消除了測力點(diǎn)位置的改變對Z方向力測量的影響，符合試驗(yàn)的要求。經(jīng)測試，該三維力傳感器的量程為0～1.5N，分辨率為1mN，維間耦合影響小于0.15％。
四

圖1是本發(fā)明的主剖視圖；圖2是本發(fā)明的左視剖視圖；圖3是檢測電路組成框圖。
圖1的標(biāo)號名稱1、2、3、4為測Y方向力應(yīng)變片，5、6、7、8為測Z方向力應(yīng)變片，15、16、17為“H”型孔，13為水平梁彈性體，14為垂直梁彈性體，19為腰型通孔，20為接線柱；圖2的標(biāo)號名稱9、10、11、12為測沿X方向力應(yīng)變片，18為“H”型孔。
五具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2所示，本實(shí)施例的三維小量程力傳感器為整體的倒“T”形結(jié)構(gòu)，包括由彈性體制得的水平梁13和垂直梁14。其中，水平梁13左端沿Y方向開有一個(gè)左端“H”型通孔15，右端沿Y方向開有一個(gè)右端“H”型通孔16。左端“H”型通孔15和右端“H”型通孔16對稱設(shè)置，左端“H”型孔15的左端上下壁的外表面各貼一片應(yīng)變片5、7，右端“H”型孔16的右端上下壁的外表面各貼一片應(yīng)變片6、8，應(yīng)變片5、7、6、8構(gòu)成第一組惠斯登電橋；垂直梁14上設(shè)有兩個(gè)“H”型通孔第一“H”型孔17和第二“H”型孔18，其中，第一“H”型通孔17沿Y方向設(shè)于垂直梁14底部靠近水平梁13，第一“H”型通孔17下端左右壁的外表面各貼兩片應(yīng)變片9、11和10、12，應(yīng)變片9、11、10、12組成第二組惠斯登電橋；第二“H”型通孔18沿X方向設(shè)于第一“H”型通孔17的上方，在第二“H”型通孔18的下端前后壁的外表面各貼兩片應(yīng)變片1、3和2、4，應(yīng)變片1、3、2、4組成第三組惠斯登電橋。水平梁13和垂直梁14的彈性體材料為硬鋁合金。
垂直梁14上第二“H”型通孔18的上方設(shè)有腰形孔19。
水平梁13的右端設(shè)有接線柱20，用于連接從應(yīng)變片引出的導(dǎo)線。
水平梁上的左端“H”型通孔15和右端“H”型通孔16兩端的間距為40mm，垂直梁上的第一“H”型通孔17的下端與水平梁上表面的距離為3mm，第二“H”型通孔的下端與第一“H”型通孔的上端的距離為3mm。
當(dāng)在垂直梁14頂部作用Z方向力時(shí)，水平梁13兩端“H”型孔處產(chǎn)生較大的應(yīng)變，通過第一組惠斯登電橋的一組應(yīng)變片5、6、7、8可測量兩孔之間的應(yīng)變差，即可得到Z方向力的大?。划?dāng)在垂直梁14頂部作用X方向力時(shí)，通過垂直梁14上第一“H”型孔17相應(yīng)的第二組惠斯登電橋的應(yīng)變片9、10、11、12可以測出X方向力的大?。划?dāng)在垂直梁14頂部作用Y方向力時(shí)，通過垂直梁14上第二“H”型孔18相應(yīng)的第三組惠斯登電橋的一組應(yīng)變片1、2、3、4可以測出Y方向力的大小。
三維小量程力傳感器上的應(yīng)變片的阻值變化變成電壓變化的輸出，采用圖3所示的應(yīng)變片橋式電路。電路中的Rx(Rx1～Rx2)為應(yīng)變片電阻，應(yīng)變片Rx的供電電壓U由直流開關(guān)電源提供。
權(quán)利要求
1.一種三維小量程力傳感器，其特征在于，為整體的倒“T”形結(jié)構(gòu)，包括由彈性體制得的水平梁(13)和垂直梁(14)，其中，水平梁(13)左端沿Y方向開有一個(gè)左端“H”型通孔(15)，右端沿Y方向開有一個(gè)右端“H”型通孔(16)，左端“H”型通孔(15)和右端“H”型通孔(16)對稱設(shè)置，左端“H”型孔(15)的左端上下壁的外表面各貼一片應(yīng)變片(5、7)，右端“H”型孔(16)的右端上下壁的外表面各貼一片應(yīng)變片(6、8)，應(yīng)變片(5、7、6、8)構(gòu)成第一組惠斯登電橋；垂直梁(14)上設(shè)有兩個(gè)“H”型通孔第一“H”型孔(17)和第二“H”型孔(18)，其中，第一“H”型通孔(17)沿Y方向設(shè)于垂直梁(14)底部靠近水平梁(13)，第一“H”型通孔(17)下端左右壁的外表面各貼兩片應(yīng)變片(9、11)和(10、12)，應(yīng)變片(9、11、10、12)組成第二組惠斯登電橋；第二“H”型通孔(18)沿X方向設(shè)于第一“H”型通孔(17)的上方，在第二“H”型通孔(18)的下端前后壁的外表面各貼兩片應(yīng)變片(1、3)和(2、4)，應(yīng)變片(1、3、2、4)組成第三組惠斯登電橋。
2.如權(quán)利要求1所述的三維小量程力傳感器，其特征在于，垂直梁(14)第二“H”型通孔(18)的上方設(shè)有腰形孔(19)。
3.如權(quán)利要求1所述的三維小量程力傳感器，其特征在于，水平梁(13)的一端設(shè)有接線柱(20)，用于連接從應(yīng)變片引出的導(dǎo)線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維小量程力傳感器，為整體的倒“T”形結(jié)構(gòu)，包括由彈性體制得的水平梁(13)和垂直梁(14)，其中，水平梁(13)上對稱設(shè)有左端“H”型通孔(15)和右端“H”型通孔(16)，兩個(gè)“H”型通孔上設(shè)有應(yīng)變片構(gòu)成第一組惠斯登電橋；垂直梁(14)上設(shè)有第一“H”型孔(17)和第二“H”型孔(18)，第一“H”型孔(17)上設(shè)有應(yīng)變片構(gòu)成第二組惠斯登電橋；第二“H”型通孔(18)沿X方向設(shè)于第一“H”型通孔(17)的上方，第二“H”型通孔(18)上設(shè)有應(yīng)變片構(gòu)成第三組惠斯登電橋。本發(fā)明的傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，靈敏度高，能用于測量多種動物的運(yùn)動接觸力，還可用于機(jī)器人手指、手腕的力參數(shù)測試。
文檔編號G01L1/22GK1912559SQ20061004113
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者吉愛紅, 張正杰, 戴振東 申請人:南京航空航天大學(xué)