专利名称：超薄六维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法
技术领域：
本发明涉及仿人机器人技术，特别涉及机器人力传感器。
背景技术：
随着工业机器人和仿人机器人的大量应用和研发，六维力传感器作为一种重要的 力觉传感器，用来检测工业机械手或仿人机器人与环境之间的接触力和力矩的大小和 方向并及时反馈，以便机械手进行精密准确的具体操作和仿人机器人完成相应动作。 针对这种情况，国内外研制了多种六维力传感器，虽然各种力传感器功能齐全、 种类繁多，但是现有的六维力传感器高度尺寸都比较大， 一般为40-80mm之间，这就 大大制约了传感器在各个领域的应用。目前尺寸较小的传感器有美国Assurance公司 的微小型六维力传感器，其外径为18mm高度为30mm。传感器的高度是影响传感器 应用的一个重要因素，当机械手实际操作时，作为腕力传感器的六维力传感器高度越 大，机械手后续部件所受到的力矩因为力臂的增大面成比例的增大，这将影响机械手 的额定工作量程及其最大工作空间；当仿人机器人仿人行走时，作为脚力传感器的六 维力传感器高度越大，不但影响其外观形状，安装在机器人踝关节的电机所需提供的 力矩也相应成比例的增大。另外， 一般的六维力传感器都存在不可消除的维间耦合， 这使得传感器的精度大大降低。
发明内容
本发明的目的是针对目前国内外相关技术存在的问题和缺陷，提出一种超薄六 维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法，高度方向尺寸能限制在15毫米 以内，并能应用于各种应用场合，同时获取不同量程要求下的精确六维力信息，为相 应的应用设备准确顺利完成任务提供高质量的力信息。传感器高度尺寸小，结构简单、 灵敏度高、维间耦合小、获取的力信息精度高、可靠性好，动态性能优良。
本发明的技术方案是
一种超薄六维力传感器，包括中间有通孔的传力柱(l)，其特征在于传力柱(l)外壁上连接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上连接有上内环筒 与上外环筒，构成上E型膜(4)，所述的上外环筒上分布有安装螺孔作为加载环，所 述的上内环筒与上外环筒之间连接有间隔90°排布的薄矩形金属片(21、 22、 23、 24); 所述的下E型膜片上连接有下内环筒与下外环筒，构成下E型膜(5)，所述的下外环 筒作为基座。
所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述的安装螺孔与薄矩形金属片(21、 22、 23、 24)位置错开。
所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述传力柱(1)壁厚尺寸应大于上E 型膜片、薄矩形金属片(21、 22、 23、 24)厚度尺寸五倍以上。
所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述薄薄矩形金属片(21、 22、 23、 24) 组成，各薄矩形金属片尺寸完全一致，四片薄矩形片厚度尺寸小于径向尺寸的1/10。
所述的超薄六维力传感器，其特征在于其材料为硬铝或不锈钢，各部件之间为 一整体。
所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述的上E型膜片与下E型膜片，上内 环筒与下内环筒，上外环筒与下外环筒结构对称，所述的薄矩形金属片上端低于传力 柱、上内环筒、上外环筒的上端面。
一种用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩信息的方法，其特征在于在
传力柱的外壁及上内环筒的内壁上分别有对应贴装有间隔90°排布的应变片R5 R12，所述的位于同一平面上的薄矩形金属片(21、 23)的两侧径向面上分别贴装有 应变片R1、 R2、 R3、 R4，在传力柱的外壁及下内环筒的内壁上分别有对应贴装有间隔 90° 、 45°排布的六对应变片R13 R24;应变片R1 R4、应变片R5 R8、应变片R9 Rll、应变片R13 R16、应变片R17 R20、应变片R21 R24分别构成六组全桥检测 电路a、 b、 c、 d、 e、 f，分别输出六维力信息中Mz、 Mx、 My、 Fx、 Fy、 Fz信号。
所述的用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩信息的方法，其特征在于 所述的各应变片R1 R24的初始电阻值相等。
加载环上置有四个螺纹孔，用于六维力传感器与外界载荷连接在一起，加载环通 过薄矩形金属片与上E型膜连接，薄矩形金属片组由上内环筒与上外环筒之间均匀分 布的四片薄矩形金属片组成，基座用来对整个六维力传感器固定。超薄六维力传感器材料为硬铝，整个超薄六维力传感器为一个整体,各部件之间不需额外连接。传力柱、 薄矩形金属片的上表面与加载环的上表面在高度方向有一定的间隙。传力柱中置有小 孔，便于贴在不同位置的应变片组成测量电路。加载环上置有的四个螺纹孔与薄矩形 金属片组在圆周方向上错开放置。
初始电阻值相等应变片R1 R24，组成六组测量电桥a, b， c， d， e， f并实现将力信 息转换成为电压信息，通过标定、解耦，可以对三维力和三维力矩信息同时获取。
应变片R1、 R2、 R3、 R4与薄矩形金属片组长度方向平行贴放；
应变片R5、 R6、 R7、 R8沿传感器有坐标Y轴贴放；
应变片R9、 RIO、 Rll、 R12沿传感器坐标轴X贴放；
应变片R13、 R14、 R15、 R16沿传感器坐标轴X贴放；
应变片R17、 R18、 R19、 R20沿传感器坐标轴Y贴放；
应变片R21、 R22、 R23、 R24沿传感器坐标轴X成45度帖放；
应变片Rl与R2， R3与R4分别置于全桥检测电路a相对应的桥臂上，应变片R5 与R6， R7与R8分别置于全桥检测电路b相对应的桥臂上，应变片R9与R12， R10与Rll 分别置于全桥检测电路c的相对应的桥臂上，应变片R13与R14， R15与R16分别置于 全桥检测电路d的相对应的桥臂上,应变片R17与R18， R19与R20分别置于全桥检测 电路e的相对应桥臂上，应变片R21与R22， R23与R24分别置于全桥检测电路f的相 对应桥臂上；
六维力信息中Mz信号取自全桥检测电路a，六维力信息中Mx信号取自全桥检测 电路b，六维力信息中My信号取自全桥检测电路c，六维力信息中Fx信号取自全桥 检测电路d，六维力信息中Fy信号取自全桥检测电路e，六维力信息中Fz信号取自 全桥检测电路f。
有益效果现有技术的六维力传感器高度尺寸都比较大， 一般为40-80mm之间， 在具体应用时，由于高度尺寸过大给应用场合造成不必要的额外负担，大大制约了传 感器在各个领域的应用。现有技术的六维力传感器一般用同一个弹性元件来同时测量 六维力信息，造成耦合大很难达到高精度的力信息获取。现有技术的六维力传感器一 般为几个部件通过连接件装配而成，造成了传感器的动态性能差。因此研制超薄的高 精度的动态性能好的六维力传感器是符合各领域的需求的。本发明的超薄高精度六维力传感器高度在15毫米以下，采用三个弹性部件来实现对力对电压的转换，并为一 个整体，并能应用于各种应用场合和量程下。
本发明的发明点是超薄高精度六维力传感器是传力柱连接的双E型膜结构，在 上、下E型膜和薄矩形金属片组上放置传感器的检测电路并组成相应的电桥，即用薄 矩形金属片组和上、下E型膜三个弹性元件来实现三维力和三维力矩信息的同时测量。 其中薄矩形金属片组用来测量Mz;上E型膜用来测量Mx，My;下E型膜用来测量 Fx， Fy， Fz，上E膜在Fx， Fy作用下不发生变形，避免了传统传感器无法解决Fx与My、 Fy与Mx之间的耦合。整个传感器高度尺寸在15毫米以下。传感器为一个整体，不需 要用连接件来进行连接，可以提高其动态性能。改变传感器的径向尺寸可以使传感器 适应于各种量程的应用环境。
由此相对于现有技术本发明的有益效果是
本发明充分考虑到传感器高度尺寸对传感器的应用造成的影响，传统传感器无法 解决的耦合，各种应用场合对传感器动态性能的要求，采用一体化的双E型膜加薄矩 形金属片组作为力敏元件实现对六维力的高精度的测量，且总体尺寸在15毫米以内。 本发明的超薄高精度六维力传感器具有超薄、低耦合、高精度、动态性能好，并能适 应各种不同量程的场合。
图1为本发明的传感器结构示意图。 图2为传感器弹性体上应变片的贴片示意图。 图3为传感器信息获取中应变片组桥的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细说明。
在图1中，l是传力柱、2是薄矩形金属片组、3是加载环、4是上E型膜、5是 下E型膜、6是基座。
传力柱1外壁上连接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上连 接有上内环筒与上外环筒，构成上E型膜4，上外环筒上分布有安装螺孔作为加载环 3，所述的上内环筒与上外环筒之间连接有间隔90°排布的薄矩形金属片21、 22、 23、 24;下E型膜片上连接有下内环筒与下外环筒，构成下E型膜5，所述的下外环筒作为基座6。
传力柱l中开有小孔，便于各组电桥引线。薄矩形金属片组2包括四片薄矩形金 属片21、 22、 23、 24，在圆周方向间隔90°均匀分布，做为力敏元件的一部分，同 时还起着连接加载环3与上E型膜4的作用。加载环3上有四个标准连接用螺纹孔， 在圆周上均匀分布，并与薄矩形金属片组2错开。传感器的力敏元件的结构是由上E 型膜4、下E型膜5与薄矩形金属片组2构成的，上E型膜4用来反映Mx， My的变化， 下E型膜5用来反映Fx,Fy，Fz的变化，薄矩形金属片2用来反映Mz的变化，基座6 用于整个传感器与外界相连。当力或力矩作用在传感器上时，力敏元件的相应部件会 发生弹性形变，粘贴在力敏元件上的应变片也会随着力敏元件的变形发生形变，使应 变片的阻值发生变化，从而导致各组电桥的输出电压发生变化，通过标定和解耦将电 压的变化与加在力敏元件上的力或者力矩大小建立联系，使用时根据各组电桥输出电 压的变化量来确定加在传感器上的力的大小。
图2为传感器弹性体上应变片的贴片示意图。其中附图2左图为传感器的俯视图， 从图上可以看出上E型膜4和薄矩形金属片组2上的贴片方式，在薄矩形金属片21 和23上靠近加载环各对称贴有2片初始电阻值相等的应变片Rl、 R2和R3、 R4组成a 组测量电桥用于检测Mz，沿薄矩形金属片41长度方向平行贴放；在上E型膜上粘贴 有8片初始值相等的应变片R5 R12，其中R5 R8沿Y轴方向粘贴构成b测量电桥用 于检测Mx，其中R9 R12沿X轴方向粘贴构成c测量电桥用于检测My。其中附图2 右图为传感器的仰视图，从图上可以看出下E型膜5上的贴片方式，在下E型膜上粘 贴有12片初始值相等的应变片R13 R24，其中R13 R16沿X轴方向粘贴构成d测量 电桥用于检测Fx;其中R17 R20沿Y轴方向粘贴构成e测量电桥用于检测Fy;其中 R21 R24与Y轴成45度方向粘贴构成f测量电桥用于检测Fz。其中，应变片R5、 R7、 R9、 Rll贴于上E型膜3的外圆周，R6、 R8、 RIO、 R12贴于上E型膜3的内圆周；应 变片R13、 R15、 R17、 R19、 R21、 R23贴于下E型膜5的外圆周，R14、 R16、 R18、 R20、 R22、 R24贴于下E型膜5的内圆周。
图3为传感器信息获取中应变片组桥的示意图。a、 b、 c、 d、 e、 f各组都分别 构成全桥检测电路，其中a组的Rl与R4，R3与R2分别置于相对应桥臂上，电桥的输 出为Alk，与作用于传感器的Mz大小成正比；b组的R5与R7， R6与R8分别置于相对应桥臂上，电桥的输出为A lk，与作用于传感器的Mx大小成正比；C组的R9与Rll， R10 与R12分别置于相对应桥臂上，电桥的输出为AUMy,与作用于传感器的My大小成正 比；d组的R13与R15， R14与R16分别置于相对应桥臂上，电桥的输出为Alk，与作 用于传感器的Fx大小成正比；e组的R17与R19， R18与R20分别置于相对应桥臂上， 电桥的输出为AUFy，与作用于传感器的Fy大小成正比；f组的R21与R23， R22与R24 分别置于相对应桥臂上，电桥的输出为Alk，与作用于传感器的Fz大小成正比。
应用例本发明采用应变电测技术，用应变片粘贴工艺将应变片粘贴于传感器 力敏元件的相应位置，粘贴好的应变片组成6组电桥，每组电桥获取六维力信息中的 一维。根据具体的应用场合的量程要求来确定上、下E型膜和薄矩形金属片的尺寸， 包括E型膜的内径、外径、厚度，薄矩形金属片的厚度、宽度，长度。
应用例1 :为获取装配时六维装配力的大小，在机械手上使用超薄高精度力维力 传感器时，首先根据机械手的外形尺寸确定传感器的总体径向外形尺寸如120X120mm 的正方形和安装固定方式如两端外连接，再根据具体的应用要求确定量程大小如力量 程80N，力矩量程24Nm。根据量程大小来确定各力敏单元的尺寸薄矩形金属片10X1 X 5mm，上下E型膜膜厚0 . 5mm,总体高度尺寸为14mm。
应用例2 :为获取机器人行走时足部所受六维力的大小，在机器人脚踝上使用超 薄高精度力维力传感器时，首先根据脚踝的外形尺寸确定传感器的总体径向外形尺寸 如①60mm，安装固定方式如一端螺纹外连接， 一端螺纹内连接，再根据具体的应用要 求确定量程大小如，力量程2000N，力矩量程80Nm，根据量程大小来确定各力敏单元 的尺寸薄矩形金属片25X2. 5X5mm，上下E型膜膜厚1. 5min，总体高度尺寸为15mm。
权利要求
1、一种超薄六维力传感器，包括中间有通孔的传力柱(1)，其特征在于传力柱(1)外壁上连接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上连接有上内环筒与上外环筒，构成上E型膜(4)，所述的上外环筒上分布有安装螺孔作为加载环，所述的上内环筒与上外环筒之间连接有间隔90°排布的薄矩形金属片(21、22、23、24)；所述的下E型膜片上连接有下内环筒与下外环筒，构成下E型膜(5)，所述的下外环筒作为基座。
2、 根据权利要求1所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述的安装螺孔与 薄矩形金属片(21、 22、 23、 24)位置错开。
3、 根据权利要求1所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述传力柱(1)壁 厚尺寸应大于上E型膜片、薄矩形金属片(21、 22、 23、 24)厚度尺寸五倍以上。
4、 根据权利要求1所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述薄薄矩形金属 片(21、 22、 23、 24)组成，各薄矩形金属片尺寸完全一致，四片薄矩形片厚度尺寸小 于径向尺寸的1/10。
5、 根据权利要求1所述的超薄六维力传感器，其特征在于其材料为硬铝或不 锈钢，各部件之间为一整体。
6、 根据权利要求1所述的超薄六维力传感器，其特征在于所述的上E型膜片 与下E型膜片，上内环筒与下内环筒，上外环筒与下外环筒结构对称，所述的薄矩形 金属片上端低于传力柱、上内环筒、上外环筒的上端面。
7、 一种用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩信息的方法，其特征在于 在传力柱的外壁及上内环筒的内壁上分别有对应贴装有间隔90°排布的应变片R5 R12，所述的位于同一平面上的薄矩形金属片(21、 23)的两侧径向面上分别贴装有 应变片R1、 R2、 R3、 R4，在传力柱的外壁及下内环筒的内壁上分别有对应贴装有间隔 90° 、 45°排布的六对应变片R13 R24;应变片R1 R4、应变片R5 R8、应变片R9 Rll、应变片R13 R16、应变片R17 R20、应变片R21 R24分别构成六组全桥检测 电路a、 b、 c、 d、 e、 f，分别输出六维力信息中Mz、 Mx、 My、 Fx、 Fy、 Fz信号。
8、 根据权利要求7所述的用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩信息的 方法，其特征在于所述的各应变片R1 R24的初始电阻值相等。
全文摘要
本发明公开了一种超薄六维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法，包括传力柱(1)外壁上连接有平行的上E型膜片，下E型膜片，上E型膜片上连接有上内环筒与上外环筒，构成上E型膜(4)，上外环筒上分布有安装螺孔作为加载环，上内环筒与上外环筒之间连接有间隔90°排布的薄矩形金属片；下E型膜片上连接有下内环筒与下外环筒，构成下E型膜(5)。传感器采用双E型膜片加四片薄矩形金属片为其力敏元件，在力敏元件上适当位置粘贴24片应变片，并将其组成六组惠斯通电桥实现对六维力的同时测量，同时获取各种具体的应用场合下的六维力信息。本发明维间耦合小、精度高、动态性能好，能自动消除温度的影响，应用于各种不同应用场合。
文档编号G01L1/22GK101419102SQ20081024374
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者孙玉苹, 宋全军, 张广斌, 瑜 戈, 曹会彬, 梁桥康, 王以俊, 葛运建 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院