一种二维夹持力传感器的制作方法

本发明涉及一种传感器，具体来说，涉及一种二维夹持力传感器。

背景技术：

抓取柔软或酥脆物体，是对灵巧机械手抓取性能的一个挑战。为了能让机械手像人手一样根据手的触觉信息，适当的调整抓取力，实现无滑动的稳定抓取过程，就需要能实时掌握抓取时的触觉信息和滑觉信息。能同时感知滑觉和触觉信息，采用的传感器结构简单，抗干扰力强，而且低成本是亟待解决的问题。

目前夹持器大多通过电机电流间接计算夹持力；也有在夹持器与物体间运用PVDF或力敏橡胶等材料制作的滑觉传感器；在夹持器与物体接触点安装压力传感器直接检测夹持器与物体接触压力。也有采用滑觉传感器加压力传感器结合的方法对物体进行滑动预测。最佳的抓取是既要感知触觉又要感知滑觉。前人采用多传感器结合方法，多传感器结构复杂，抗干扰能力弱，制造成本高。

因此，一款既能检测滑觉又能检测触觉的高灵敏度传感器非常有必要运用在机械手末端。

技术实现要素：

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种二维夹持力传感器，结构简单，制作简单，低成本，既能检测夹持力和切向力，又能检测滑觉。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样的：

一种二维夹持力传感器，其特征在于，包括前环1111和后环2222；前环1111有一个左耳环111和一个右耳环222，在左耳环111的第一侧面1和右耳环222的第二侧面2分别贴有一个第一应变片11；后环2222也有一个左耳环333和一个右耳环444，在左耳环333的第三侧面3和右耳环444的第四侧面4分别贴有一个第三应变片33，在左耳环333的第五侧面5和右耳环444的第六侧面6分别贴有一个第四应变片44。

前环1111的左耳环111和后环2222的左耳环333之间有一个第一通槽101，在前环1111的右耳环222和后环2222的右耳环444之间也有一个相同的第二通槽102；传感器左右对称，左边有一个第一通孔201，右边有一个第二通孔202，第一通孔201和第二通孔202)之间有一个凸槽301，第一通孔201的左内壁和第二通孔202的右内壁分别贴有第二应变片22。

有益效果：本发明根据八角环受力变形的特点，采用两个相互平行的延伸八角环结构实现了夹持力和切向力以及滑觉的测量。前环与后环之间有一通槽，减小了八角环工作宽度，增加了传感器的灵敏度。传感器中间的凸槽，对传感器有过载保护的作用。传感器结构简单，制作工艺简单，加工基本是开孔开槽，体积小，适合安装在机械手夹持器末端，适合大范围推广。本发明采用两个全桥惠斯通电桥采集信号，增加了传感器的灵敏度，为滑觉信号采集提供了好的条件。八角环本身具有结构解耦的特点，减小了两向力之间的影响和耦合性。本发明前环检测夹持力，后环检测切向力和滑觉，传感器具有模块化的特点，其测量电路可独立调试，简化了工作量。

附图说明

图1是本发明二维夹持力传感器结构示意图

图中有：前环1111、后环2222、前环左耳环111、前环右耳环222、后环左耳环333、后环右耳环444、第一侧面1、第二侧面2、第三侧面3、第四侧面4、第五侧面5、第六侧面6、第一应变片11、第二应变片22、第三应变片33、第四应变片44，第一通槽101、第二通槽102、第一通孔201、第二通孔202、凸槽301。

图2本发明二维夹持力传感器受力分析图

图3本发明在夹持器上的安装示意图

图中有：夹持器1、爪子2、二维夹持力传感器3。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步详细描述。

参照图1，一种二维夹持力传感器，包括前环1111和后环2222；前环1111有一个左耳环111和一个右耳环222，在左耳环111的第一侧面1和右耳环222的第二侧面2分别贴有一个第一应变片11；后环2222也有一个左耳环333和一个右耳环444，在左耳环333的第三侧面3和右耳环444的第四侧面4分别贴有一个第三应变片33，在左耳环333的第五侧面5和右耳环444的第六侧面6分别贴有一个第四应变片44。前环1111的左耳环111和后环2222的左耳环333之间有一个第一通槽101，在前环1111的右耳环222和后环2222的右耳环444之间也有一个相同的第二通槽102；传感器左右对称，左边有一个第一通孔201，右边有一个第二通孔202，第一通孔201和第二通孔202之间有一个凸槽301，第一通孔201的左内壁和第二通孔202的右内壁分别贴有一个第二应变片22。

该结构的二维夹持力传感器工作原理为：

使用时，参照图3，将传感器的底面安装在爪子2，爪子2安装在夹持器1上。当夹持器1工作时，带动爪子2移动，传感器3受力变形，将引起应变片阻值变化，变化的阻值大小表征了受力大小。具体讲，参照图1，受力坐标如图所示。X、Y两个坐标轴的正方向，同时对应作用力F_x、F_y的正方向。F_x对应切向力和滑觉，F_y对应夹持力。前环1111和后环2222组成的八角环底端固定，顶端受到夹持力F_y和物体与传感器摩擦产生的切向力F_x。参照图2，由于八角环的结构对称，结构类似圆环，根据圆环理论计算，则任意截面弯矩为：

则环表面应变为：

式中t为八角环厚度，r为八角环平均直径，E为材料弹性模量。可见当θ＝90°时，F_x产生的弯矩为0，环表面应变仅与F_y有关，当θ＝39.4°或者θ＝140.6°时，F_y产生的弯矩为0，环表面应变仅与F_x有关。

关于延伸八角环的应力分析，由于早期传统的设计方法是采用弹性力学的方法，但是建立的力学模型过于简化，计算精度偏低，不能满足实际情况。为了减小两向力耦合误差，本发明利用Ansys workbench进行有限元分析，准确找到应变节点，找到应变片的最佳贴片位置。最终确定为：在前环1111的左耳环111的第一侧面1和右耳环222的第二侧面2的θ＝36.6°处分别贴一个第一应变片11；在前环111的第一通孔201和第二通孔202的θ＝133.6°处分别贴一个第二应变片22；在后环2222的左耳环333的第三侧面3和后环222的右耳环第四侧面4的θ＝96.6°处分别贴一个第三应变片33；在后环2222的左耳环的第五侧面5和后环222的右耳环的第六侧面6的θ＝97.6°处分别贴一个第四应变片44。

八角环表面的应力应变将使第一应变片11和第二应变片22电阻值改变，打破电桥平衡，转化成电路输出，通过标定可实现对夹持力F_y的测量；同理第三应变片33和第四应变片44能测量切向力F_x及滑觉。