本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙孔平行梁式六維力傳感器。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于具有多傳感器感知的機(jī)器人提出了更高的要求。力覺作為機(jī)器人一個(gè)非常重要的功能，在機(jī)器人發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。作為感知機(jī)器人力覺最重要的一種傳感器，六維力傳感器在機(jī)器人的腕部力感知、機(jī)器人靈巧手指尖力檢測(cè)、仿人機(jī)器人足部力測(cè)量等方面發(fā)揮著巨大的作用。因此，六維力傳感器的相關(guān)技術(shù)是機(jī)器人領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。六維力傳感器的靈敏度、維間耦合、線性度、精度和遲滯是影響傳感器使用性能的幾個(gè)最重要指標(biāo)。如何提高六維力傳感器的靈敏度、線性度和精度，降低維間耦合、減小遲滯一直以來是備受研究的焦點(diǎn)問題，但迄今為止并沒有一個(gè)很好的解決方法。

現(xiàn)有的用于檢測(cè)六維力傳感器受力后的彈性體彈性梁往往為實(shí)心梁，如專利cn103940544b、cn103487194b、cn103528746b、cn103528726b、cn104048790a、cn100535620c、cn105651446a等，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是傳感器的剛度大、遲滯小，但缺點(diǎn)是靈敏度低、維間耦合大、非線性度大、精度低。為了提高傳感器的降低維間耦合，專利cn10149102b將彈性體梁的寬度降低，從而將實(shí)心梁結(jié)構(gòu)變成了板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)雖然可以減小維間耦合，但會(huì)造成傳感器的剛度降低，不適合于要求較高剛度的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。專利cn102853958b采用了雙懸臂彈性梁的方式進(jìn)行六維力傳感器的檢測(cè)，但是該傳感器的結(jié)構(gòu)形式不夠緊湊，并不適合于要求空間有限的工業(yè)機(jī)器人腕部的六維力傳感器檢測(cè)。專利cn106225977a采用了單向傳感器提高測(cè)量精度，單向傳感器的彈性梁為雙目結(jié)構(gòu)，但是該專利的彈性體為組合的彈性體，因此存在間隙、預(yù)緊力不一致等問題，從而導(dǎo)致六維力傳感器存在較大的滯后效應(yīng)，影響重復(fù)精度等。美國(guó)發(fā)明專利us6871552b2將實(shí)心彈性梁結(jié)構(gòu)變?yōu)槊た讖椥粤?，雖然該結(jié)構(gòu)可以有效提高傳感器測(cè)量精度，但考慮到粘貼應(yīng)變片的盲孔厚度要求非常小，從而導(dǎo)致盲孔結(jié)構(gòu)的彈性梁難以加工，工藝性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中六維力傳感器靈敏度低、維間耦合大、非線性度大、精度低和遲滯大的問題，現(xiàn)提供一種雙孔平行梁式六維力傳感器。

一種雙孔平行梁式六維力傳感器包括：外殼1、多個(gè)下端固定螺釘2、上端蓋3、彈性體4、多個(gè)上端固定螺釘5和多個(gè)電阻應(yīng)變片6；

外殼1為圓桶形，外殼1底面的中心開有中心通孔，上端蓋3為圓環(huán)形，

彈性體4包括：四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1、四個(gè)外彈性梁4-2、八個(gè)浮動(dòng)梁4-4、四個(gè)固定臺(tái)4-5和加載臺(tái)4-6；

加載臺(tái)4-6為圓筒形，四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1的一端均固定在加載臺(tái)4-6外側(cè)，且四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1在加載臺(tái)4-6外側(cè)均勻排布，四個(gè)外彈性梁4-2分別固定在四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1的另一端，外彈性梁4-2與內(nèi)彈性梁4-1相互垂直，四個(gè)固定臺(tái)4-5分別位于相鄰的兩個(gè)外彈性梁4-2之間，固定臺(tái)4-5的兩端分別通過浮動(dòng)梁4-4與其相鄰的外彈性梁4-2相連，浮動(dòng)梁4-4的厚度小于其長(zhǎng)度或?qū)挾鹊氖种唬?/p>

每個(gè)外彈性梁4-2上均開有兩個(gè)外彈性梁孔4-3，兩個(gè)外彈性梁孔4-3以外彈性梁4-2的中線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的上下通孔，每個(gè)內(nèi)彈性梁4-1上均開有一個(gè)周向的內(nèi)彈性梁孔4-9，

每個(gè)內(nèi)彈性梁4-1的上下兩面均設(shè)有兩個(gè)電阻應(yīng)變片6，且電阻應(yīng)變片6均與其所在內(nèi)彈性梁4-1的內(nèi)彈性梁孔4-9相對(duì)應(yīng)，每個(gè)外彈性梁4-2的外側(cè)均設(shè)有四個(gè)電阻應(yīng)變片6，兩個(gè)電阻應(yīng)變片6為一組，每組電阻應(yīng)變片6均與其所在外彈性梁4-2的兩個(gè)外彈性梁孔4-3一一對(duì)應(yīng)，

彈性體4位于外殼1腔內(nèi)，上端蓋3蓋在外殼1的開口處，上端蓋3的上表面與外殼1的開口端面齊平，外殼1、上端蓋3和彈性體4同軸設(shè)置，上端蓋3的外徑小于外殼1的內(nèi)徑，外殼1與彈性體4通過多個(gè)下端固定螺釘2固定連接，上端蓋3與彈性體4通過多個(gè)上端固定螺釘5固定連接。

外殼1的底面上開有8個(gè)外殼螺紋孔1-1和8個(gè)外殼通孔1-2，上端蓋3上開有8個(gè)上端蓋螺紋孔3-1和8個(gè)上端蓋通孔3-2，

8個(gè)外殼螺紋孔1-1兩兩一組共構(gòu)成4組螺紋孔組，4組螺紋孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組螺紋孔組之間間隔90°，8個(gè)外殼通孔1-2兩兩一組共構(gòu)成4組通孔組，4組通孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組通孔組之間間隔90°，4組螺紋孔組所在圓周半徑小于4組通孔組所在圓周半徑，

8個(gè)上端蓋螺紋孔3-1沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的兩個(gè)上端蓋螺紋孔3-1之間間隔45°，8個(gè)上端蓋通孔3-2沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的上端蓋通孔3-2之間間隔45°，8個(gè)上端蓋螺紋孔3-1所在圓周半徑大于8個(gè)上端蓋通孔3-2所在圓周半徑。

加載臺(tái)4-6上設(shè)有8個(gè)載臺(tái)螺紋孔4-7，8個(gè)載臺(tái)螺紋孔4-7分別與8個(gè)上端蓋通孔3-2一一正對(duì)，上端固定螺釘5穿過上端蓋通孔3-2與螺紋孔4-7實(shí)現(xiàn)螺紋連接，

每個(gè)固定臺(tái)4-5上均設(shè)有兩個(gè)固定臺(tái)螺紋孔4-8，8個(gè)固定臺(tái)螺紋孔4-8分別與8個(gè)外殼通孔1-2一一正對(duì)，下端固定螺釘2穿過外殼通孔1-2與固定臺(tái)螺紋孔4-8實(shí)現(xiàn)螺紋連接。

本發(fā)明提供的一種雙孔平行梁式六維力傳感器，采用彈性梁為雙孔平行梁以提高靈敏度、精度并降低維間耦合，通過改變矩形截面的倒圓角尺寸來提高傳感器的線性度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

一、針對(duì)現(xiàn)有的六維力傳感器的彈性梁為實(shí)心梁，因此導(dǎo)致傳感器的靈敏度低，并且導(dǎo)致傳感器的維間耦合大。因此，本發(fā)明結(jié)合單維拉壓力傳感器所經(jīng)常采用的雙孔平行梁結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)有的六維力傳感器彈性體進(jìn)行改進(jìn)。在彈性體的內(nèi)彈性體梁上加工出內(nèi)彈性梁孔，在外彈性體梁上加工出外彈性梁孔。該方式相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)心彈性梁具有靈敏度高、維間耦合小、線性度好等優(yōu)點(diǎn)。

二、本發(fā)明采用的內(nèi)彈性梁孔和外彈性梁孔為通孔，通孔形式的截面為帶倒圓角的矩形。根據(jù)六維力傳感器不同的使用量程要求，通過改變矩形截面的長(zhǎng)度和寬度尺寸來影響傳感器的靈敏度，通過改變矩形截面的倒圓角尺寸來影響傳感器的線性度。

附圖說明

圖1是具體實(shí)施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器的剖視圖；

圖2是彈性體的主視圖；

圖3是彈性體的后視圖；

圖4是的彈性體的剖面圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：參照?qǐng)D1至圖4具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器包括：外殼1、多個(gè)下端固定螺釘2、上端蓋3、彈性體4、多個(gè)上端固定螺釘5和多個(gè)電阻應(yīng)變片6；

外殼1為圓桶形，外殼1底面的中心開有中心通孔，上端蓋3為圓環(huán)形，

彈性體4包括：四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1、四個(gè)外彈性梁4-2、八個(gè)浮動(dòng)梁4-4、四個(gè)固定臺(tái)4-5和加載臺(tái)4-6；

加載臺(tái)4-6為圓筒形，四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1的一端均固定在加載臺(tái)4-6外側(cè)，且四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1在加載臺(tái)4-6外側(cè)均勻排布，四個(gè)外彈性梁4-2分別固定在四個(gè)內(nèi)彈性梁4-1的另一端，外彈性梁4-2與內(nèi)彈性梁4-1相互垂直，四個(gè)固定臺(tái)4-5分別位于相鄰的兩個(gè)外彈性梁4-2之間，固定臺(tái)4-5的兩端分別通過浮動(dòng)梁4-4與其相鄰的外彈性梁4-2相連，浮動(dòng)梁4-4的厚度小于其長(zhǎng)度或?qū)挾鹊氖种唬?/p>

每個(gè)外彈性梁4-2上均開有兩個(gè)外彈性梁孔4-3，兩個(gè)外彈性梁孔4-3以外彈性梁4-2的中線為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的上下通孔，每個(gè)內(nèi)彈性梁4-1上均開有一個(gè)周向的內(nèi)彈性梁孔4-9，

每個(gè)內(nèi)彈性梁4-1的上下兩面均設(shè)有兩個(gè)電阻應(yīng)變片6，且電阻應(yīng)變片6均與其所在內(nèi)彈性梁4-1的內(nèi)彈性梁孔4-9相對(duì)應(yīng)，每個(gè)外彈性梁4-2的外側(cè)均設(shè)有四個(gè)電阻應(yīng)變片6，兩個(gè)電阻應(yīng)變片6為一組，每組電阻應(yīng)變片6均與其所在外彈性梁4-2的兩個(gè)外彈性梁孔4-3一一對(duì)應(yīng)，

彈性體4位于外殼1腔內(nèi)，上端蓋3蓋在外殼1的開口處，上端蓋3的上表面與外殼1的開口端面齊平，外殼1、上端蓋3和彈性體4同軸設(shè)置，上端蓋3的外徑小于外殼1的內(nèi)徑，外殼1與彈性體4通過多個(gè)下端固定螺釘2固定連接，上端蓋3與彈性體4通過多個(gè)上端固定螺釘5固定連接。

本實(shí)施方式中，內(nèi)彈性梁4-1和外彈性梁4-2相互垂直并構(gòu)成t型梁結(jié)構(gòu)；內(nèi)彈性體梁4-1和其上的內(nèi)彈性梁孔4-9構(gòu)成了雙孔平行梁；外彈性梁4-2和其上的外彈性梁孔4-3構(gòu)成了雙孔平行梁。在內(nèi)彈性梁4-1和外彈性梁4-2的合適部位粘貼32片電阻應(yīng)變片6，共構(gòu)成8組惠斯通全橋電路，用于實(shí)現(xiàn)六維力信息的測(cè)量，其中的2組惠斯通全橋電路可作為備份。本實(shí)施方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、維間耦合小、靈敏度大、線性度好、精度高、遲滯小等特點(diǎn)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，外殼1的底面上開有8個(gè)外殼螺紋孔1-1和8個(gè)外殼通孔1-2，上端蓋3上開有8個(gè)上端蓋螺紋孔3-1和8個(gè)上端蓋通孔3-2，

8個(gè)外殼螺紋孔1-1兩兩一組共構(gòu)成4組螺紋孔組，4組螺紋孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組螺紋孔組之間間隔90°，8個(gè)外殼通孔1-2兩兩一組共構(gòu)成4組通孔組，4組通孔組沿外殼1周向均勻排布，且相鄰的兩組通孔組之間間隔90°，4組螺紋孔組所在圓周半徑小于4組通孔組所在圓周半徑，

8個(gè)上端蓋螺紋孔3-1沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的兩個(gè)上端蓋螺紋孔3-1之間間隔45°，8個(gè)上端蓋通孔3-2沿上端蓋3周向均勻排布，且相鄰的上端蓋通孔3-2之間間隔45°，8個(gè)上端蓋螺紋孔3-1所在圓周半徑大于8個(gè)上端蓋通孔3-2所在圓周半徑。

本實(shí)施方式所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傳感器通過外殼螺紋孔1-1和上端蓋螺紋孔3-1與外部進(jìn)行連接，從而用于實(shí)際工況的六維力信息檢測(cè)。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式二所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加載臺(tái)4-6上設(shè)有8個(gè)載臺(tái)螺紋孔4-7，8個(gè)載臺(tái)螺紋孔4-7分別與8個(gè)上端蓋通孔3-2一一正對(duì)，上端固定螺釘5穿過上端蓋通孔3-2與螺紋孔4-7實(shí)現(xiàn)螺紋連接，

每個(gè)固定臺(tái)4-5上均設(shè)有兩個(gè)固定臺(tái)螺紋孔4-8，8個(gè)固定臺(tái)螺紋孔4-8分別與8個(gè)外殼通孔1-2一一正對(duì)，下端固定螺釘2穿過外殼通孔1-2與固定臺(tái)螺紋孔4-8實(shí)現(xiàn)螺紋連接。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，所有電阻應(yīng)變片6均粘貼在彈性體4上，內(nèi)彈性梁4-1和外彈性梁4-2上的電阻應(yīng)變片6均沿所在梁的長(zhǎng)度方向排布。

如圖2和圖3所示，建立三維坐標(biāo)系，將加載臺(tái)4-6的圓心作為坐標(biāo)原點(diǎn)o，加載臺(tái)4-6的軸向?yàn)閦軸，電阻應(yīng)變片r19、r20、r25和r26的排布方向?yàn)閤軸，電阻應(yīng)變片r23、r24、r29和r30的排布方向?yàn)閥軸，

電阻應(yīng)變片r21、r22、r31、r32構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量彎矩mx；

電阻應(yīng)變片r19、r20、r25、r26構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量彎矩my；

電阻應(yīng)變片r1、r2、r11、r12構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量扭矩mz；

電阻應(yīng)變片r7、r8、r13、r14構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量扭矩mz；

電阻應(yīng)變片r3、r4、r9、r10構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量切向力fx；

電阻應(yīng)變片r5、r6、r15、r16構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量切向力fy；

電阻應(yīng)變片r17、r18、r27、r28構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量軸向力fz；

電阻應(yīng)變片r23、r24、r29、r30構(gòu)成一個(gè)惠斯通全橋，用于測(cè)量軸向力fz。

所有電阻應(yīng)變片的初始電阻值相等，構(gòu)成上述八組測(cè)量惠斯通全橋，實(shí)現(xiàn)將力信息轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，通過標(biāo)定、解耦，可以對(duì)六維力信息同時(shí)感知。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，內(nèi)彈性梁孔4-9截面形狀和外彈性梁孔4-3的截面形狀均為帶倒圓角的矩形。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，內(nèi)彈性梁孔4-9的截面矩形的長(zhǎng)度、寬度和倒圓角的尺寸均可以調(diào)整，且四個(gè)倒圓角大小相等；外彈性梁孔4-3的截面矩形的長(zhǎng)度、寬度和倒圓角的尺寸均可以調(diào)整，且四個(gè)倒圓角大小相等。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的一種雙孔平行梁式六維力傳感器作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，彈性體4的材質(zhì)為硬鋁合金、不銹鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，彈性體4由整體材料一次性加工完成。