一种六维力传感器的制作方法

本申请属于传感器技术领域，特别涉及一种六维力传感器。

背景技术：

多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中，力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。

目前大部分六维力传感器很难真正实现较小的维间耦合，较好的各向同性，且由于六维力传感器的结构非完全对称，传感器往往存在一定的温漂。

此外，在现有技术中，装配式六维力传感器由于存在测量间隙，易产生迟滞，从而影响测量结果的准确性。

申请内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请提出了一种六维力传感器，该六维力传感器结构对称，力映射关系清晰，维间耦合较小，各向同性较好，采用一体式加工，由于其采用对称性结构，可以有效地抑制温漂。

为解决上述技术问题，本申请具有如下构成：

一种六维力传感器，包括：动平台，所述动平台为正多边形；多个第一应力杆，圆周阵列设置在所述动平台的上表面；多个第二应力杆，圆周阵列设置在所述动平台的下表面；其中，设置在所述动平台同一边上的所述第一应力杆与所述第二应力杆的轴线相互平行或共线；基座，所述基座内部形成有腔体，用于容纳所述动平台、所述第一应力杆以及所述第二应力杆，其中，所述基座通过所述第一应力杆、所述第二应力杆与所述动平台连接；以及外壳，所述外壳与所述动平台连接并包覆在所述基座的外周。

所述第一应力杆倾斜设置在所述动平台的上表面，所述第二应力杆倾斜设置在所述动平台的下表面。

所述六维力传感器还包括多个柔性球铰，所述第一应力杆的两端分别通过所述柔性球铰与所述动平台、所述基座连接，所述第二应力杆的两端分别通过所述柔性球铰与所述动平台、所述基座连接。

所述基座、所述第一应力杆、所述第二应力杆以及所述动平台一体成型。

所述动平台所形成的正多边形的边数与设置在其上表面的第一应力杆、设置在其下表面的所述第二应力杆的数量均相同。

所述基座的顶面和底面分别开设有第一通孔和第二通孔，其中，所述第一通孔、所述第二通孔以及所述动平台的中心位于同一直线上。

所述外壳穿过所述第一通孔与所述动平台连接并至少部分包覆所述基座的外周，其中，所述外壳与所述动平台通过螺钉连接，并通过所述动平台上的定位孔进行定位，所述定位孔与所述外壳上的突出部匹配设置。

所述第二通孔被安装在所述基座上的底座覆盖。

所述基座的侧壁开设有多个第三通孔，所述第三通孔正对所述动平台所形成的正多边形的边设置，其中，所述第三通孔被所述外壳覆盖。

所述第一应力杆、第二应力杆的至少一个侧边均贴有至少一个应变片。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请具有结构对称，力映射关系清晰，维间耦合较小，各向同性较好，基本无温漂等优势；

本申请中第一应力杆和第二应力杆关于动平台所在的平面旋转对称设置，在仅受外界温度影响时，第一应力杆与第二应力杆能够相互抑制各自内部应力的产生，使六维力传感器具有零温漂；

本申请采用柔性球铰代替真实球铰，且基座、第一应力杆、第一应力杆以及动平台一体成型，可以有效消除传感器的装配应力和装配间隙，使得第一应力杆/第二应力杆只承受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，维间耦合较小。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1：本申请六维力传感器的爆炸示意图；

图2：本申请六维力传感器的立体示意图；

图3：本申请六维力传感器的结构示意图；

图4：本申请六维力传感器的仰视立体示意图。

附图标记说明：

1-外壳；11-突出部；2-基座；21-第一通孔；22-第二通孔；23-第三通孔；3-动平台；31-定位孔；4-第一应力杆；5-第二应力杆；6-柔性球铰；7-底座；8-定位销孔；9-安装孔。

具体实施方式

以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。

如图1至图4所示，本实施例六维力传感器，包括：动平台3，所述动平台3为正多边形；多个第一应力杆4，圆周阵列设置在所述动平台3的上表面；多个第二应力杆5，圆周阵列设置在所述动平台3的下表面；其中，设置在所述动平台3同一边上的所述第一应力杆4与所述第二应力杆5的轴线相互平行或共线；基座2，所述基座2内部形成有腔体，用于容纳所述动平台3、所述第一应力杆4以及所述第二应力杆5，其中，所述基座2通过所述第一应力杆4、所述第二应力杆5与所述动平台3连接；以及外壳1，所述外壳1与所述动平台3连接并包覆在所述基座2的外周。

本实施例六维力传感器可以同时测量3个力分量及3个力矩分量，主要应用在力及力-位控制场合。相对于现有技术而言，本实施例动平台3为正多边形；多个第一应力杆4圆周阵列设置在所述动平台3的上表面；多个第二应力杆5圆周阵列设置在所述动平台3的下表面，并且，设置在所述动平台3同一边上的所述第一应力杆4与所述第二应力杆5的轴线相互平行或共线，因此第一应力杆4与第二应力杆5能够关于动平台3所在的平面旋转对称。

当第一应力杆4与第二应力杆5关于动平台3旋转对称设置时，在本实施例六维力传感器仅受外界温度影响时，第一应力杆4与第二应力杆5能够相互抑制各自内部应力的产生，使六维力传感器具有零温漂。

其中，所述第一应力杆4倾斜设置在所述动平台3的上表面，所述第二应力杆5倾斜设置在所述动平台3的下表面。在实际加工制造时，可以根据传感器各向同性要求来确定第一应力杆4、第二应力杆5的倾斜角度。优选地，所述倾斜角度为45°。

采用真实球铰的装配式传感器无法消除传感器内部的装配间隙及装配应力。因此，在本实施例中，所述六维力传感器采用柔性球铰6代替真实球铰，所述第一应力杆4的两端分别通过所述柔性球铰6与所述动平台3、所述基座2连接，所述第二应力杆5的两端分别通过所述柔性球铰6与所述动平台3、所述基座2连接。其中，所述基座2、所述第一应力杆4、所述第二应力杆5以及所述动平台3一体成型。

本实施例基座2、第一应力杆4、第二应力杆5以及动平台3一体成型，且采用柔性球铰6代替真实球铰，使得第一应力杆4/第二应力杆5只承受沿其轴向的拉、压力，力映射关系简单清晰，维间耦合较小。另外，相较于真实球铰，采用柔性球铰6可以减小六维力传感器的整体尺寸，提高六维力传感器的适用性。

在实际操作时，可以先粗略制作出基座2、第一应力杆4、第一应力杆4以及动平台3所组成的整体的雏形，再进一步加工打磨。

值得一提地是，当测量量程较小时，基座2、第一应力杆4、第一应力杆4以及动平台3可以采用铝制成，铝质地柔软易于加工；当量程较大时，可以采用17-4ph不锈钢制成，以使得本实施例六维力传感器对不同的应用环境具有较高的通用性。

由于第一应力杆4与第二应力杆5设置在动平台3的边上，因此为了进一步使得六维力传感器的结构对称，所述动平台3所形成的正多边形的边数与设置在其上表面的第一应力杆4、设置在其下表面的所述第二应力杆5的数量均相同，从而使得第一应力杆4、第二应力杆5以及动平台3所组成的整体关于动平台3所在平面旋转对称，进而能够有效抑制温漂。举例来说，参见图3所示，所述第一应力杆4与所述第二应力杆5可以各设置有3个，由于所述动平台3为正三角形，因此还可以方便地将3个第一应力杆4/第二应力杆5设置在正三角形的边上(例如边的中点位置)。由于所述第一应力杆4、第二应力杆5、动平台3以及基座2一体成型，因此所述动平台3的棱角可以磨平处理，以提高加工的便利性。

进一步地，所述基座2的顶面和底面分别开设有第一通孔21和第二通孔22，其中，所述第一通孔21、所述第二通孔22以及所述动平台3的中心位于同一直线上。通过所设置的第一通孔21和第二通孔22能够提高基座2、动平台3等结构一体成型的便利性。其中，第一通孔21与第二通孔22也可以为正多边形，且所形成的正多边形的边数与第一应力杆4、第二应力杆5的数量均相同，以提高结构的对称性和加工的便利性。

所述外壳1穿过所述第一通孔21与所述动平台3连接并至少部分包覆所述基座2的外周，通过所设置的外壳1能够将第一应力杆4、第二应力杆5、基座2以及动平台3封闭起来，进而减少外界因素对测量结果的扰动，提高了准确性。

值得一提地是，外壳1仅与动平台3连接，而与六维力传感器的其他部位没有接触，以保证使用的可靠性。

在本实施例中，所述外壳1与所述动平台3通过螺钉连接，并通过所述动平台3上的定位孔31进行定位，所述定位孔31与所述外壳1上的突出部11配合设置，以提高装配的精确性。

所述第二通孔22被安装在所述基座2上的底座7覆盖，以提高六维力传感器的封闭性，其中，底座7可以通过螺钉固定在基座2上。通过所设置的外壳1和底座7能够将六维力传感器的内部结构封闭起来，防止电路结构裸露，起到保护作用。

为了进一步提高加工制造的便利性，所述基座2的侧壁开设有多个第三通孔23，所述第三通孔23正对所述动平台3所形成的正多边形的边设置，其中，所述第三通孔23被所述外壳1覆盖。当所述第三通孔23正对所述动平台3所形成的正多边形的边设置时，能够进一步使得第一应力杆4、第二应力杆5、动平台3以及基座2所组成的整体关于动平台3的中心轴旋转对称，该整体的上下两部分还能够关于动平台3所在平面旋转对称，对称型结构能够有效抑制温漂。

所述第一应力杆4、第二应力杆5的至少一个侧边均贴有至少一个应变片。其中，所述第一应力杆4、第二应力杆5的横截面可以为平行四边形，以方便贴应变片。其中，应变片可以贴在第一应力杆4、第二应力杆5的正面中部。

在本实施例中，参见图1至图4所示，所述第一应力杆4与所述第二应力杆5可以分别设置有3个，所述动平台3为正三角形，所述第三通孔23设置有3个。

当然，所述第一应力杆4与所述第二应力杆5也可以分别设置有4个，所述动平台3为正方形，所述第三通孔23可以设置有4个，其具体的选择并不会对本实施例造成限定。

在实际加工制造时，可以采用以下步骤：

1)将基座2、第一应力杆4、第二应力杆5、柔性球铰6以及动平台3一体成型；

2)通过配合设置的定位孔31和突出部11定位外壳1的安装位置，通过螺钉穿过外壳1上的安装孔9并连接外壳1与动平台3；

3)通过螺钉将底座7固定在基座2上。

以用于焊接的机械手为例，描述本实施例的一种应用场景：

基座2可以通过基座2上的定位销孔定位至机械手的末端(固定端)，外壳1上也设置有定位销孔8从而将外壳1定位至焊枪(测量端)上，通过所设置的定位销孔8能够提高装配的精度。在实际使用时，六维力通过外壳1传递到动平台3上，再通过第一应力杆4以及第二应力杆5传递到基座2上，通过采集多个第一应力杆4以及多个第二应力杆5上的拉/压力进而反解出作用测量端的六维力。

本申请结构对称，力映射关系清晰，维间耦合较小，各向同性较好，采用一体式加工，由于其采用对称性结构，可以有效地抑制温漂；本申请采用柔性球铰6代替真实球铰，且基座2、第一应力杆4、第一应力杆4以及动平台3一体成型，可以有效消除传感器的装配应力和装配间隙，由于第一应力杆4/第二应力杆5只承受沿其轴向的拉、压力，使传感器的贴片难度大大降低。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。