专利名称：一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力矩传感器，更特别地说，是指一种应用于机器人力与力矩传感器领域的、能够测量空间六维力的力矩传感器。
背景技术：
目前，六维力传感器按照测量原理可以分为电阻应变式、电容式、电感式、压电式和光电式等，其中电阻应变式六维力传感器应用最为广泛和成熟，它通过测量粘贴在弹性体上的应变片由于机械变形所引起的电阻值的变化来测量力和力矩。上述几种六维力传感器具有以下缺点(1)上述几种原理的传感器，其核心构件均为一特殊结构的弹性体，而此弹性体的加工要求较高，加工工艺复杂；(2)后处理电路非常复杂；(3)耦合问题，绝大多数六维力传感器存在维间耦合问题；(4)成本较高，价格昂
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发明内容
相比于多维力传感器，一维力传感器的精度做到万分之一并不困难，把低维力传感器技术应用于六维力传感器也是机器人六维力传感器的发展趋势之一。本发明提出了一种利用一维力传感器集成测量六维力和力矩的原理，并采用九个高精度的一维力测量元件开发了样机，实现了较低的成本以及较高的测量精度。本发明公开了一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，该力矩传感器通过将九个传感器分为三组分别安装在三个安装座上，安装座的端部连接有端盖，X轴连接杆的两端分别置于两个安装座的通孔内，Y轴连接杆置于第三个安装座的通孔内。本发明设计的力矩传感器通过加载法兰安装在载体上。当在Y轴连接杆上端进行施加压力时，T形连接杆受到空间六维力和空间三维正交力矩的作用下，与T形连接杆相接触的九个一维触力传感器会受到不同大小的力的作用并各有不同输出。通过理论力学对该受力结构进行分析，得
到九个一维传感器的输出力信息与所施加的六维空间力之间的关系为g=AxWmX^。
因此只需要测量九个一维传感器的输出数值，就可以得到空间六维力的大小。本发明的一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，该力矩传感器包括有九个传感器、三个端盖、三个安装座、一个X轴连接杆(31)、一个Y轴连接杆(32)、一个加载法兰(33)和一个支撑架(19)；其中，X轴连接杆(31)与Y轴连接杆(32)装配后构成T形连接杆；九个传感器是指第一传感器(21)、第二传感器(22)、第三传感器(23)、第四传感器(24)、第五传感器(25)、第六传感器(26)、第七传感器(27)、第八传感器(28)、第九传感器(29)；其中，第一传感器(21)、第二传感器(22)和第三传感器(23)构成第一组传感器；第四传感器(24)、第五传感器(25)和第六传感器(26)构成第二组传感器；第七传感器 (27)、第八传感器(28)和第九传感器(29)构成第三组传感器；第一组传感器与第二组传感器置于X轴连接杆(31)的两端，第三组传感器置于Y轴连接杆(32)上；
三个端盖是指第一端盖(11)、第二端盖(13)和第三端盖(15)；三个安装座是指第一安装座(12)、第二安装座(14)和第三安装座(16)；支撑架(19)由A 外壳(17)和B外壳(18)对接后构成；支撑架(19)的A侧板面(192)上安装有第一安装座(12)的连接盘(12D)，第一安装座(12)的另一端上连接有第一端盖(11)；支撑架(19)的B侧板面(193)上安装有第二安装座(14)的连接盘(14D)，第二安装座(14)的另一端上连接有第二端盖(13)；支撑架(19)的上板面(191)上安装有第三安装座(16)的连接盘(16D)，第三安装座(16)的另一端上连接有第三端盖(15)；第一安装座(12)的A三边形盲孔(12A)内安装有第一传感器(21)、第二传感器 (22)和第三传感器(23)；且第一安装座(12)的H通孔(12F)用于X轴连接杆(31)的一端穿过；第一传感器(21)通过A锁紧螺钉实现与X轴连接杆(31)的预紧力调节；第二安装座(14)的B三边形盲孔(14A)内安装有第四传感器(24)、第五传感器 (25)和第六传感器(26)；且第二安装座(14)的H通孔(14F)用于X轴连接杆(31)的另一端穿过；第四传感器(24)通过B锁紧螺钉实现与X轴连接杆(31)的预紧力调节；第三安装座(16)的C三边形盲孔(16A)内安装有第七传感器(27)、第八传感器 (28)和第九传感器(29)；且第三安装座(16)的H通孔(16F)用于X轴连接杆(31)的一端穿过；第七传感器(27)通过C锁紧螺钉实现与Y轴连接杆(32)的预紧力调节；第三端盖(15)的上方安装有加载法兰(33)，加载法兰(33)的中心是沉头通孔 (33A)，该沉头通孔(33A)用于放置长螺钉(33B)，该长螺钉(33B)的一端穿过加载法兰 (33)的沉头通孔(33A)后连接在Y轴连接杆(32)的上端的螺纹孔(32D)内。本发明能够实现六维空间力测量的力矩传感器的优点在于①将每三个传感器安装在一个安装座上，且呈120度布局，受力均衡，结构简单， 对机械加工和装配要求低，保证了本发明传感器的测量精度。②通过安装座的圆柱体上通孔内的锁紧螺钉，可以方便的调节传感器与T形连接轴的预紧力。③利用T形组合连接轴，实现了三组传感器对于六维力和力矩的测量，同时使得本发明的传感器的尺寸紧凑，整体外部尺寸最小为55mm X50mm X30mm。④选用九个一维触力传感器进行笛卡尔空间六维力和力矩的测量，降低了本发明传感器的噪声，提高了抗干扰能力。⑤本发明的设计的传感器具有灵活性，可以测量不同维度的加载力。
图1是本发明能够实现六维空间力测量的力矩传感器的外部结构图。 图IB是本发明支撑架的结构。图IA是本发明能够实现六维空间力测量的力矩传感器的分解结构图。图2是本发明X轴连接杆和Y轴连接杆的结构图。图2A是本发明Y轴连接杆的另一视角结构图。图3A是本发明的第一端盖的结构图。
图3B是本发明的第二端盖的结构图。图3C是本发明的第三端盖的结构图。图4A是本发明第一安装座的结构图。图4B是本发明第一安 装座的另一视角结构图。图4C是本发明第二安装座的结构图。图4D是本发明第二安装座的另一视角结构图。图4E是本发明第三安装座的结构图。图4F是本发明第三安装座的另一视角结构图。图5是本发明力矩传感器在X轴和Y轴上加载力与合力的关系图。图5A是本发明第一组传感器受力时的合力关系图。图5B是本发明第二组传感器受力时的合力关系图。图5C是本发明第三组传感器受力时的合力关系图。图5D是三组传感器在X轴和Y轴上的安装位置关系图。图中11.第一端盖11A.A环形空腔11B.C通孔11C.A凸圆柱12.第一安装座12A. A三边形盲孔12B. B螺纹孔12C. A紧钉孔12D.连接盘12E. G通孔12F. H通孔12G. A矩形孔12H. B矩形孔121. C矩形孔12J.圆柱体13.第二端盖13A. B环形空腔13B. D通孔13C. B凸圆柱14.第二安装座14A. B三边形盲孔14B. C螺纹孔14C. B紧钉孔14D.连接盘14E. I 通孔14F. J通孔14G. D矩形孔14H. E矩形孔141. F矩形孔14J.圆柱体15.第三端盖15A. C环形空腔15B. E通孔15C. C凸圆柱15D. F通孔16.第三安装座16A. C三边形盲孔16B. D 螺纹孔16C. C紧钉孔16D.连接盘16E. K通孔16F. L通孔16G. G矩形孔16H. H矩形孔161. I矩形孔16J.圆柱体16K.沉头腔16L.中间板17. A外壳18. B外壳19.支撑架19A.A合并圆孔19B.B合并圆孔19C. C合并圆孔191.上板面192. A侧板面193. B侧板面21.第一传感器22.第二传感器23.第三传感器24.第四传感器25.第五传感器26.第六传感器27.第七传感器28.第八传感器29.第九传感器31. X轴连接杆31A.定位台32. Y轴连接杆32A. A通孔32B.锁紧螺钉32C. B通孔32D. A螺纹孔33.加载法兰33A.沉头通孔33B.长螺钉
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1、图IA所示，本发明的一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，该力矩传感器包括有九个传感器(第一传感器21、第二传感器22、第三传感器23、第四传感器 24、第五传感器25、第六传感器26、第七传感器27、第八传感器28、第九传感器29)、三个端盖(第一端盖11、第二端盖13、第三端盖15)、三个安装座(第一安装座12、第二安装座14、 第三安装座16)、一个X轴连接杆31、一个Y轴连接杆32、一个加载法兰33和一个支撑架 19。其中，X轴连接杆31与Y轴连接杆32装配后构成T形连接杆。在本发明中，九个传感器选用Honeywell (霍尼韦尔)公司生产的FSS 1500NST型号力传感器。在本发明中，第一传感器21、第二传感器22和第三传感器23构成第一组传感器； 第四传感器24、第五传感器25和第六传感器26构成第二组传感器；第七传感器27、第八传感器28和第九传感器29构成第三组传感器；第一组传感器与第二组传感器置于X轴连接杆31的两端，第三组传感器置于Y轴连接杆32上。 在本发明中，第一安装座12与第二安装座14的结构相同。第三安装座16与第一安装座12、第二安装座14的不同之处在于第三安装座的另一端(连接盘端)设有空腔，该空腔用于16)的结构相同。在本发明中，第一端盖11与第二端盖13的结构相同。第三端盖15与第一端盖 11、第二端盖13的不同之处在于第三端盖15的中心设有F通孔15D。该F通孔15D用于Y 轴连接杆32的上端穿过。(一 )支撑架参见图1、图IA所示，支撑架19由A壳体17和B壳体18对接后构成。支撑架19 的两侧为A侧板面192、B侧板面193，支撑架19的上方是C板面191 ；A侧板面192上设有 A合并圆孔19A，B侧板面193上设有B合并圆孔19B，C板面191上设有C合并圆孔19C，支撑架19的中心是空腔19D，该空腔19D用于放置T形连接杆的接合处。X轴连接杆31的一端穿过A合并圆孔19A，X轴连接杆31的另一端穿过B合并圆孔19B ；Y轴连接杆32的上端穿过C合并圆孔19C。支撑架19的A侧板面192上安装有第一安装座12 ；支撑架19的B侧板面193上安装有第二安装座14 ；支撑架19的C板面191上安装有第三安装座16。在本发明中，支撑架19能够支撑起力矩传感器X轴、Y轴和Z轴三个方向的安装座。(二)X轴连接杆31参见图1A、图2所示，X轴连接杆31上设有定位台31A，该定位台3IA能够起到限位的作用。(三)Y轴连接杆32参见图1A、图2、图2A所示，Y轴连接杆32的顶部设有A螺纹孔32D，该A螺纹孔 32D通过与一螺钉的连接实现将加载法兰33安装在Y轴连接杆32的顶部；Y轴连接杆32的下端设有A通孔32A，该A通孔32A用于X轴连接杆31的一端穿过，且使X轴连接杆31上的定位台31A与Y轴连接杆32的下端端面接触；Y轴连接杆32的底部设有B通孔32C，该B通孔32C用于放置锁紧螺钉32B ；锁紧螺钉32B用于顶紧X轴连接杆31，实现X轴连接杆31与Y轴连接杆32下端的连接。在本发明中，X轴连接杆31与Y轴连接杆32的装配构成了 T形连接杆。(四)加载法兰33参见图1、图IA所示，加载法兰33中心设有沉头通孔33A，该沉头孔33A用于放置长螺钉33B。长螺钉33B的一端穿过加载法兰33上的沉头通孔33A、第三端盖15的F通孔15D 后，螺纹连接在Y轴连接杆32顶部的A螺纹孔32D内。在本发明中，通过加载法兰33实现将本发明的力矩传感器与所需测量力矩的载体进行安装。(五)第一端盖11参见图1、图1A、图3A所示，第一端盖11为一体成型加工件，第一端盖11的端面上设有多个C通孔11B，该C通孔1IB用于放置螺钉，通过螺钉实现第一端盖11与第一安装座12 —端的连接；第一端盖11的底端设有A环形空腔IlA和A凸圆柱11C，该A环形空腔 IlA用于放置第一安装座12的一端，该A凸圆柱IlC置于第一安装座12的通孔内。(六)第一安 装座12参见图1、图1A、图4A、图4B所示，第一安装座12为一体成型加工件，第一安装座 12的一端为连接盘12D，第一安装座12的另一端为圆柱体12J，该圆柱体12J上设有A紧钉孔12C，该A紧钉孔12C用于放置A锁紧螺钉；第一安装座12的连接盘12D上设有G通孔12E，该G通孔12E通过与螺钉的配合实现将第一安装座12连接在支撑架19 (A外壳17和B外壳18对接后构成支撑架19)的A 侧板面192上；第一安装座12的圆柱体12J的端面上设有B螺纹孔12B，该B螺纹孔12B与螺钉的配合实现第一端盖11安装在第一安装座12的圆柱体端面上；第一安装座12的圆柱体12J的中心设有A三边形盲孔12A，该A三边形盲孔12A 的中心为H通孔12F ；该A三边形盲孔12A用于放置第一传感器21、第二传感器22、第三传感器23 ；该H通孔12F用于X轴连接杆31的一端穿过；另外，该三边形盲孔12A延伸至连接盘12D的盘面上时分别为A矩形孔12G、B矩形孔12H、C矩形孔121 ；A矩形孔12G、B矩形孔12H和C矩形孔121能够起到对安装的三个传感器(第一传感器21、第二传感器22、 第三传感器23)的位置进行限定。A矩形孔12G用于卡紧放置第一传感器21的一端。B矩形孔12H用于卡紧放置第二传感器22的一端。C矩形孔121用于卡紧放置第三传感器23的一端。(七)第二端盖13参见图1、图1A、图3B所示，第二端盖13为一体成型加工件，第二端盖13的端面上设有多个D通孔13B，该D通孔13B用于放置螺钉，通过螺钉实现第二端盖13与第二安装座14 一端的连接；第二端盖13的底端设有B环形空腔13A和B凸圆柱13C，该B环形空腔 13A用于放置第二安装座14的一端，该B凸圆柱13C置于第二安装座14的通孔内。(八)第二安装座14参见图1、图1A、图4C、图4D所示，第二安装座14为一体成型加工件，第二安装座 14的一端为连接盘14D，第二安装座14的另一端为圆柱体14J，该圆柱体14J上设有B紧钉孔14C，该B紧钉孔14C用于放置一紧顶钉；第二安装座14的连接盘14D上设有I通孔14E，该I通孔14E通过与螺钉的配合实现将第二安装座14连接在支撑架19 (A外壳17和B外壳18对接后构成支撑架19)的B 侧板面193上；第二安装座14的圆柱体14J的端面上设有C螺纹孔14B，该C螺纹孔14B与螺钉的配合实现第二端盖13安装在第二安装座14的圆柱体端面上；第二安装座14的圆柱体14J的中心设有B三边形盲孔14A，该B三边形盲孔14A 的中心为J通孔14F ；该B三边形盲孔14A用于放置第四传感器24、第五传感器25、第六传感器26 ；该J通孔14F用于X轴连接杆31的另一端穿过；另外，该B三边形盲孔14A延伸至连接盘14D的盘面上时分别为D矩形孔14G、E矩形孔14H、F矩形孔141 ；D矩形孔14G、 E矩形孔14H和F矩形孔141能够起到对安装的三个传感器(第四传感器24、第五传感器25、第六传感器26)的位置进行限定。D矩形孔14G用于卡紧放置第四传感器24的一 端。E矩形孔14H用于卡紧放置第五传感器25的一端。F矩形孔141用于卡紧放置第六传感器26的一端。(九)第三端盖I5参见图1、图1A、图3C所示，第三端盖15为一体成型加工件，第三端盖15的端面上设有多个E通孔15B，该E通孔15B用于放置螺钉，通过螺钉实现第三端盖15与第三安装座16 —端的连接；第三端盖15的底端设有C环形空腔15A和C凸圆柱15C，该C环形空腔 15A用于放置第三安装座16的一端，该C凸圆柱15C置于第三安装座16的通孔内。(十)第三安装座16参见图1、图1A、图4E、图4F所示，第三安装座16为一体成型加工件，第三安装座 16的一端为连接盘16D，第三安装座16的另一端为圆柱体16J，该圆柱体16J上设有C紧钉孔16C，该C紧钉孔16C用于放置一紧顶钉；第三安装座16的连接盘16D上设有沉头腔16K、K通孔16Ε，该K通孔16Ε通过与螺钉的配合实现将第三安装座16连接在支撑架19 (Α外壳17和B外壳18对接后构成支撑架19)的C板面191上；第三安装座16的圆柱体16J的端面上设有D螺纹孔16Β，该D螺纹孔16Β与螺钉的配合实现第三端盖15安装在第三安装座16的圆柱体端面上；第三安装座16的圆柱体16J的中心设有C三边形盲孔16Α、中间板16L，该C三边形盲孔16Α的中心为L通孔16F ；该C三边形盲孔16Α用于放置第七传感器27、第八传感器28、第九传感器29 ；该L通孔16F用于Y轴连接杆32的上端穿过；另外，该C三边形盲孔 16Α延伸至中间板16L的盘面上时分别为G矩形孔16G、H矩形孔16H、I矩形孔161 ；G矩形孔16G、H矩形孔16H和I矩形孔161能够起到对安装的三个传感器(第七传感器27、第八传感器28、第九传感器29)的位置进行限定。G矩形孔16G用于卡紧放置第七传感器27的一端。H矩形孔16H用于卡紧放置第八传感器28的一端。I矩形孔161用于卡紧放置第九传感器29的一端。本发明的一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，该力矩传感器的安装连接关系为支撑架19由A外壳17和B外壳18对接后构成；支撑架19的A侧板面192上安装有第一安装座12的连接盘12D，第一安装座12 的另一端上连接有第一端盖11;支撑架19的B侧板面193上安装有第二安装座14的连接盘14D，第二安装座14 的另一端上连接有第二端盖13 ；支撑架19的上板面191上安装有第三安装座16的连接盘16D，第三安装座16的
另一端上连接有第三端盖15 ；第一安装座12的A三边形盲孔12A内安装有第一传感器21、第二传感器22和第三传感器23 ；且第一安装座12的H通孔12F用于X轴连接杆31的一端穿过；第一传感器 21通过A锁紧螺钉实现与X轴连接杆31的预紧力调节；第二安装座14的B三边形盲孔14A内安装有第四传感器24、第五传感器25和第六传感器26 ；且第二安装座14的J通孔14F用于X轴连接杆31的另一端穿过；第四传感器24通过B锁紧螺钉实现与X轴连接杆31的预紧力调节；第三安装座16的C三边形盲孔16A内安装有第七传感器27、第八传感器28和第九传感器29 ；且第三安装座16的L通孔16F用于X轴连接杆31的一端穿过；第七传感器 27通过C锁紧螺钉实现与Y轴连接杆32的预紧力调节；
第三端盖15的上方安装有加载法兰33，加载法兰33的中心是沉头通孔33A，该沉头通孔33A用于放置长螺钉33B，该长螺钉33B的一端穿过加载法兰33的沉头通孔33A后连接在Y轴连接杆32的上端的螺纹孔32D内。参见图5、图5A、图5B、图5C所示，本发明设计的一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，该力矩传感器的三维坐标系OXYZ定义为X轴连接杆31的轴向方向为力矩传感器的X轴，Y轴连接杆32的纵向方向为力矩传感器的Y轴，建立右手笛卡尔坐标系，则有六维空间力分别是指受力端所施加的空间三维正交力(Fx, FY, Fz)和空间三维正交力矩(Tx, TY, Tz)。Fx表示X轴上所施加的正交力；FY表示Y轴上所施加的正交力；FZ表示X轴上所施加的正交力；Tx表示X轴上所施加的正交力矩；TY表示Y轴上所施加的正交力矩；τζ表示 X轴上所施加的正交力矩。当在Y轴连接杆32上端进行施加压力时，T形连接杆受到空间六维力(空间三维正交力(Fx，FY, Fz)和空间三维正交力矩(Tx，TY, Yz))的作用下，与T形连接杆相接触的九个一维力传感器会受到不同大小的力的作用并各有不同输出。通过理论力学对该受力结构进行分析，获得了九个一维力传感器的输出力信息与所施加的六维空间力之间的关系
^X^ (简称为一维力输出与六维空间力关系)。因此只需要测量九个一维传感
11JPH ^
器的输出数值，就可以得到空间六维力的大小。在本发明中，斤中的云表示施加的六维空间力矢量，简称为加载
11J PH ^t
力矢量；€表示传感器输出的压力矢量，简称为压力矢量;AM表示六维空间力的合成矩阵，P表示合成矩阵中的行数，q表示合成矩阵中的列数；BU表示静力平衡矩阵，i表示静力平衡矩阵中的行数，j表示静力平衡矩阵中的列数。下面将具体说明本发明设计的力矩传感器的工作原理在本发明中，加载力矢量记为兵( =[巧Fy F2 Tx Ty Γζ]Γ)，九个一维传感
器的输出压力矢量记为片(廷=[5 F2 F3 F4 F5 F6 F1 Fs F9f) οF1表示第一传感器21输出的压力矢量；F2表示第二传感器22输出的压力矢量；F3 表示第三传感器23输出的压力矢量；F4表示第四传感器24输出的压力矢量；F5表示第五传感器25输出的压力矢量；F6表示第六传感器26输出的压力矢量；F7表示第七传感器27 输出的压力矢量；F8表示第八传感器28输出的压力矢量；F9表示第九传感器29输出的压力矢量。如图5A、图5B、图5C所示，本发明设计的力矩传感器所在坐标OXYX中，将第一传感器21、第二传感器22和第三传感器23的压力矢量沿OXYX坐标的X轴进行力的合成，则有？工、^、。合成为Fyl和Fzl ；将第四传感器24、第五传感器25和第六传感器26的压力矢量沿OXYX坐标的X轴进行力的合成，则有F4、F5、F6合成为Fy2和Fz2 ； 将第七传感器27、第八传感器28和第九传感器29的压力矢量沿OXYX坐标的Y轴进行力的合成，则有F7、F8、F9合成为Fx3和Fz3。在本发明中，合成力矢量记为式(芑=[ Fzl Fy2 Fz2 Fx3 Fz3J), 则有 P 与 F 存在的关系为 Pm=Av^Fs ， 且
权利要求
1.一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，其特征在于该力矩传感器包括有九个传感器、三个端盖、三个安装座、一个X轴连接杆(31)、一个Y轴连接杆(32)、一个加载法兰(33)和一个支撑架(19)；其中，X轴连接杆(31)与Y轴连接杆(32)装配后构成T形连接杆； 九个传感器是指第一传感器(21)、第二传感器(22)、第三传感器(23)、第四传感器 (24)、第五传感器(25)、第六传感器(26)、第七传感器(27)、第八传感器(28)、第九传感器 (29)；其中，第一传感器(21)、第二传感器(22)和第三传感器(23)构成第一组传感器；第四传感器(24)、第五传感器(25)和第六传感器(26)构成第二组传感器；第七传感器(27)、 第八传感器(28)和第九传感器(29)构成第三组传感器；第一组传感器与第二组传感器置于X轴连接杆(31)的两端，第三组传感器置于Y轴连接杆(32)上； 三个端盖是指第一端盖(11)、第二端盖(13)和第三端盖(15)； 三个安装座是指第一安装座(12)、第二安装座(14)和第三安装座(16)； 支撑架(19)由A外壳(17)和B外壳(18)对接后构成；支撑架(19)的A侧板面(192)上安装有第一安装座(12)的连接盘(12D)，第一安装座 (12)的另一端上连接有第一端盖(11)；支撑架(19)的B侧板面(193)上安装有第二安装座(14)的连接盘(14D)，第二安装座 (14)的另一端上连接有第二端盖(13)；支撑架(19)的上板面(191)上安装有第三安装座(16)的连接盘(16D)，第三安装座 (16)的另一端上连接有第三端盖(15)；第一安装座(12)的A三边形盲孔(12A)内安装有第一传感器(21)、第二传感器(22) 和第三传感器(23)；且第一安装座(12)的H通孔(12F)用于X轴连接杆(31)的一端穿过； 第一传感器(21)通过A锁紧螺钉实现与X轴连接杆(31)的预紧力调节；第二安装座(14)的B三边形盲孔(14A)内安装有第四传感器(24)、第五传感器(25) 和第六传感器(26)；且第二安装座(14)的H通孔(14F)用于X轴连接杆(31)的另一端穿过；第四传感器(24)通过B锁紧螺钉实现与X轴连接杆(31)的预紧力调节；第三安装座(16)的C三边形盲孔(16A)内安装有第七传感器(27)、第八传感器(28) 和第九传感器(29)；且第三安装座(16)的H通孔(16F)用于X轴连接杆(31)的一端穿过； 第七传感器(27)通过C锁紧螺钉实现与Y轴连接杆(32)的预紧力调节；第三端盖(15)的上方安装有加载法兰(33)，加载法兰(33)的中心是沉头通孔(33A)， 该沉头通孔(33A)用于放置长螺钉(33B)，该长螺钉(33B)的一端穿过加载法兰(33)的沉头通孔(33A)后连接在Y轴连接杆(32)的上端的螺纹孔(32D)内。
2.根据权利要求1所述的能够实现六维空间力测量的力矩传感器，其特征在于X轴连接杆(31)上设有定位台(31A)，该定位台(31A)能够起到限位的作用；Y轴连接杆(32)的顶部设有A螺纹孔(32D)；Y轴连接杆(32)的下端设有A通孔(32A)，该A通孔(32A)用于X轴连接杆(31)的一端穿过，且使X轴连接杆(31)上的定位台(31A)与Y轴连接杆(32)的下端端面接触；Y轴连接杆(32)的底部设有B通孔(32C)，该B通孔(32C)用于放置锁紧螺钉(32B)； 锁紧螺钉(32B)用于顶紧X轴连接杆(31)，实现X轴连接杆(31)与Y轴连接杆(32)下端的连接。
3.根据权利要求1所述的能够实现六维空间力测量的力矩传感器，其特征在于第一安装座(12)的一端为连接盘(12D)，第一安装座(12)的另一端为圆柱体(12J)，该圆柱体 (12J)上设有A紧钉孔(12C)，该A紧钉孔(12C)用于放置A锁紧螺钉；第一安装座(12)的连接盘(12D)上设有G通孔(12E)，该G通孔(12E)通过与螺钉的配合实现将第一安装座(12)连接在支撑架(19)的A侧板面(192)上；第一安装座(12)的圆柱体(12J)的端面上设有B螺纹孔(12B)，该B螺纹孔(12B)与螺钉的配合实现第一端盖(11)安装在第一安装座(12)的圆柱体端面上；第一安装座(12)的圆柱体(12J)的中心设有A三边形盲孔(12A)，该A三边形盲孔 (12A)的中心为H通孔(12F)；该A三边形盲孔(12A)用于放置第一传感器(21)、第二传感器(22)、第三传感器(23)；该H通孔(12F)用于X轴连接杆(31)的一端穿过；另外，该三边形盲孔(12A)延伸至连接盘(12D)的盘面上时分别为A矩形孔(12G)、B矩形孔(12H)、C矩形孔(121) ；A矩形孔(12G)、B矩形孔(12H)和C矩形孔(121)能够起到对安装的三个传感器的位置进行限定；A矩形孔(12G)用于卡紧放置第一传感器(21)的一端；B矩形孔(12H) 用于卡紧放置第二传感器(22)的一端；C矩形孔(121)用于卡紧放置第三传感器(23)的一端；第二安装座(14)的一端为连接盘(14D)，第二安装座(14)的另一端为圆柱体(14J)， 该圆柱体(14J)上设有B紧钉孔(14C)，该B紧钉孔(14C)用于放置B锁紧螺钉；第二安装座(14)的连接盘(14D)上设有I通孔(14E)，该I通孔(14E)通过与螺钉的配合实现将第二安装座(14)连接在支撑架(19)的B侧板面(193)上；第二安装座(14)的圆柱体(14J)的端面上设有C螺纹孔(14B)，该C螺纹孔(14B)与螺钉的配合实现第二端盖(13)安装在第二安装座(14)的圆柱体端面上；第二安装座(14)的圆柱体(14J)的中心设有B三边形盲孔(14A)，该B三边形盲孔 (14A)的中心为J通孔(14F)；该B三边形盲孔(14A)用于放置第四传感器(24)、第五传感器(25)、第六传感器(26)；该J通孔(14F)用于X轴连接杆(31)的另一端穿过；另外，该B 三边形盲孔(14A)延伸至连接盘(14D)的盘面上时分别为D矩形孔(14G)、E矩形孔(14H)、 F矩形孔(141) ；D矩形孔(14G)、E矩形孔(14H)和F矩形孔(141)能够起到对安装的三个传感器的位置进行限定；D矩形孔(14G)用于卡紧放置第四传感器(24)的一端；E矩形孔(14H)用于卡紧放置第五传感器(25)的一端；F矩形孔(141)用于卡紧放置第六传感器(26)的一端；第三安装座(16)的一端为连接盘(16D)，第三安装座(16)的另一端为圆柱体(16J)， 该圆柱体(16J)上设有C紧钉孔(16C)，该C紧钉孔(16C)用于放置C锁紧螺钉；第三安装座(16)的连接盘(16D)上设有沉头腔(16K)、K通孔(16Ε)，该K通孔(16Ε) 通过与螺钉的配合实现将第三安装座(16)连接在支撑架(19)的上板面(191)上；第三安装座(16)的圆柱体(16J)的端面上设有D螺纹孔(16Β)，该D螺纹孔(16Β)与螺钉的配合实现第三端盖(15)安装在第三安装座(16)的圆柱体端面上；第三安装座(16)的圆柱体(16J)的中心设有C三边形盲孔(16Α)、中间板(16L)，该 C三边形盲孔(16Α)的中心为L通孔(16F)；该C三边形盲孔(16Α)用于放置第七传感器(27)、第八传感器(28)、第九传感器(29)；该L通孔(16F)用于Y轴连接杆(32)的上端穿过；另外，该C三边形盲孔(16Α)延伸至中间板(16L)的盘面上时分别为G矩形孔(16G)、H矩形孔(16H)、I矩形孔(161) ；G矩形孔(16G)、H矩形孔(16H)和I矩形孔(161)能够起到对安装的三个传感器的位置进行限定；G矩形孔(16G)用于卡紧放置第七传感器(27)的一端；H矩形孔(16H)用于卡紧放置第八传感器(28)的一端；I矩形孔(161)用于卡紧放置第九传感器(29)的一端。
4.根据权利要求1所述的能够实现六维空间力测量的力矩传感器，其特征在于九个传感器选用Honeywell (霍尼韦尔)公司生产的FSS1500NST型号力传感器。
5.根据权利要求1所述的能够实现六维空间力测量的力矩传感器，其特征在于当在 Y轴连接杆(32)上端进行施加压力时，T形连接杆受到空间三维正交力(FX，FY，FZ)和空间三维正交力矩(Tx，TY, Yz)的作用下，与T形连接杆相接触的九个一维力传感器会受到不同大小的力的作用并各有不同输出；通过理论力学对该受力结构进行分析，获得了一维力输出与六维空间力关系^ XJmX^ ；因此只需要测量九个一维传感器的输出数值，能够 得到空间六维力的大小；所述一维力输出与六维空间力关系^=万,χ Jm χ斤中，^表示施加的六维空间力矢 量表示传感器输出的压力矢量;AM表示六维空间力的合成矩阵，ρ表示合成矩阵中的行数，q表示合成矩阵中的列数；BU表示静力平衡矩阵，i表示静力平衡矩阵中的行数，j表示静力平衡矩阵中的列数。
全文摘要
本发明公开了一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，该力矩传感器通过将九个传感器分为三组分别安装在三个安装座上，安装座的端部连接有端盖，X轴连接杆的两端分别置于两个安装座的通孔内，Y轴连接杆置于第三个安装座的通孔内。本发明设计的力矩传感器通过加载法兰安装在载体上。当在Y轴连接杆上端进行施加压力时，T形连接杆受到空间六维力和空间三维正交力矩的作用下，与T形连接杆相接触的九个一维触力传感器会受到不同大小的力的作用并各有不同输出。通过理论力学对该受力结构进行分析，得到九个一维传感器的输出力信息与所施加的六维空间力之间的关系为因此只需要测量九个一维传感器的输出数值，就可以得到空间六维力的大小。
文档编号G01L1/18GK102353482SQ201110190280
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者于佳琦, 张玉茹, 徐牧, 方磊, 王党校 申请人:北京航空航天大学