一种小型六维力和力矩传感器的制作方法

本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种小型六维力和力矩传感器。

背景技术：

多维力和力矩传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力或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和力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。多维力和力矩传感器广泛应用于机器人、工业自动化、军工等领域中。

金属箔贴片式六维力和力矩传感器由于技术成熟，相比压电式和半导体式传感器稳定性能好，对工作环境要求不高等特点而被广泛应用。但是在现有技术的金属箔贴片式六维传感器存在很多缺陷：

现有的多维力和力矩传感器的虽然弹性体尺寸小，减小体积，但是其上贴设的应变片的数量也较少，某一方向或某几个方向的力或力矩需要通过其他方向的输出和结构的尺寸进行推算，这会使系统误差增大；

现有的六维力和力矩RSS传感器的弹性体是通过球铰链将各个弹性梁连接起来，能够达到自解耦，精度高等设计要求的，但是其弹性体本身对装配工艺的要求高，其装配的精度也影响着弹性体的精度和解耦，另外，该类传感器的固有频率也不会很高；

现有的无耦合六维力和力矩传感器大多需要通过装配实现解耦，对装配工艺有较高的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种小型六维力和力矩传感器，能够实现六个方向结构自解耦，并且具有强度高、刚度大、固有频率高、能够进行动态测试、精度高、结构尺寸小的特点。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

本发明的小型六维力和力矩传感器，其特征在于：包括筒形外壳、设置在所述筒形外壳内壁的基座、连接所述基座的8根尺寸和结构相同的第一弹性梁、设置在所述筒形外壳中心的中心凸台、连接所述中心凸台与所述第一弹性梁的4根尺寸和结构相同的第二弹性梁，4根所述第二弹性梁呈十字形设置，8根所述第一弹性梁上和4根所述第二弹性梁上分别贴设有多个应变片，各自组成全桥式电路。

进一步，所述中心凸台为圆形，圆形的所述中心凸台的中间设有用于连接固定的M2.5的第一螺纹孔和Φ1.5的销孔。

进一步，所述第一螺纹孔有4个，所述销孔有2个，4个所述第一螺纹孔呈矩形分布在所述中心凸台上，2个所述销孔分别设置在呈矩形分布的4个所述第一螺纹孔的两侧。

进一步，所述第二弹性梁的顶部高于所述第一弹性梁的顶部，所述的第二弹性梁底部低于所述第一弹性梁的底部。

进一步，每个所述第二弹性梁分别和与其连接的两个所述第一弹性梁垂直设置。

进一步，所述第一弹性梁的上表面和下表面为用于贴设所述应变片的第一贴片区。

进一步，所述第二弹性梁的中心沿所述第二弹性梁的高度方向开设有贯通的槽体，所述槽体用于增大所述第二贴片区的应变。

进一步，所述第二弹性梁连接所述第一弹性梁的一端为第二协调区，所述槽体所在区域的第二梁体外侧面为用于贴设所述应变片的第二贴片区，所述第二协调区用于增大所述第一贴片区的应变和所述第二弹性梁的强度。

本发明的小型六维力和力矩传感器，当所述中心凸台作用力和力矩时，所述基座和所述中心凸台是刚性的，不发生变形，8根所述第一弹性梁和4根所述第二弹性梁均会产生拉压变形或者弯曲变形，从而引起各全桥式电路输出的电压信号发生变化，通过对这些信号的分析处理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本发明结构简单、体积小巧，能够实现六个方向结构自解耦，适合目前工业系统的配套使用；且所述筒形外壳、所述基座、所述中心凸台、所述第一弹性梁和所述第二弹性梁为整体式构件，无需装配，具有强度高，刚度大，固有频率高，线性度、重复性和迟滞均理想的优点。此外，通过改变所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的尺寸可以任意改变传感器的量程。

附图说明

图1为本发明的小型六维力和力矩传感器贴设应变片前的结构示意图；

图2为本发明的小型六维力和力矩传感器贴设应变片后的结构示意图；

图3为本发明的小型六维力和力矩传感器的应变片的分布示意图。

如图1，筒形外壳-1、基座-2、中心凸台-3、第一螺纹孔-31、销孔-32、第一弹性梁-4、第二弹性梁-5、槽体-51、第二螺纹孔-6、应变片-7；

如图2，第一弹性梁-401、第一弹性梁-402、第一弹性梁-403、第一弹性梁-404、第一弹性梁-405、第一弹性梁-406、第一弹性梁-407、第一弹性梁-408；

如图2，第二弹性梁-501、第二弹性梁-502、第二弹性梁-503、第二弹性梁-504。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1所示：本实施例所述的小型六维力和力矩传感器，包括筒形外壳1、设置在所述筒形外壳1内壁的基座2、分别连接4个所述基座2的8根尺寸和结构相同的第一弹性梁4、设置在所述筒形外壳1中心的中心凸台3、连接所述中心凸台3与所述第一弹性梁4的4根尺寸和结构相同的第二弹性梁5，4根所述第二弹性梁5呈十字形设置，8根所述第一弹性梁4上和4根所述第二弹性梁5上分别贴设有多个应变片7，各自组成全桥式电路。

本实施例所述的小型六维力和力矩传感器，当所述中心凸台3作用力和力矩时，所述基座2和所述中心凸台3是刚性的，不发生变形，8根所述第一弹性梁4和4根所述第二弹性梁5均会产生拉压变形或者弯曲变形，从而引起各全桥式电路输出的电压信号发生变化，通过对这些信号的分析处理，方便地得出各方向受到的作用力或力矩。因此，本发明结构简单、体积小巧，能够实现六个方向结构自解耦，适合目前工业系统的配套使用；且所述筒形外壳1、所述基座2、所述中心凸台3、所述第一弹性梁4和所述第二弹性梁5为整体式构件，无需装配，具有强度高，刚度大，固有频率高，线性度、重复性和迟滞均理想的优点。此外，通过改变所述第一弹性梁4和所述第二弹性梁5的尺寸可以任意改变传感器的量程。

在本实施例中，所述中心凸台3为圆形，圆形的所述中心凸台3的中间设有用于连接固定的M2.5的第一螺纹孔31和Φ1.5的销孔32，所述第一螺纹孔31和所述销孔32能够与连接法兰无间隙紧密配合，能实现动态测量(如往复运动)。

为了便于使用，作为上述技术方案的进一步改进，所述第一螺纹孔31有4个，所述销孔32有2个，4个所述第一螺纹孔31呈矩形分布在所述中心凸台3上，2个所述销孔32分别设置在呈矩形分布的4个所述第一螺纹孔31的两侧。

在本实施例中，4个所述基座2上分别设有用于安装保护外罩的第二螺纹孔6。

为了提高该弹性体的性能，作为上述技术方案的进一步改进，所述第二弹性梁5的顶部高于所述第一弹性梁4的顶部，所述第二弹性梁5的底部低于所述第一弹性梁4的底部。

为了提高该弹性体的性能，作为上述技术方案的进一步改进，每个所述第二弹性梁5分别和与其连接的两个所述第一弹性梁4垂直设置，且所述第一弹性梁4的高度为所述第二弹性梁5的高度的1/3。

具体的，所述第一弹性梁4的上表面和下表面为用于贴设所述应变片7的第一贴片区。

在本实施例中，所述第二弹性梁5的中心沿所述第二弹性梁5的高度方向开设有贯通的槽体51，所述槽体51用于增大所述第二贴片区的应变。

在本实施例中，所述槽体51上根据需要开设有矩形凹槽，通常情况下，所述槽体51为“土”字形结构。

具体的，所述第二弹性梁5的连接所述第一弹性梁4的一端为第二协调区，所述槽体51所在区域的第二梁体外侧面为用于贴设所述应变片的第二贴片区，且所述第二贴片区具体位于所述第二弹性梁5与所述槽体51形成的壁厚较窄段的外侧面上，所述第二协调区用于增大所述第一贴片区的应变和所述第二弹性梁5的强度。

如图2所示，8根所述第一弹性梁4分别为第一弹性梁401、第一弹性梁402、第一弹性梁403、第一弹性梁404、第一弹性梁405、第一弹性梁406、第一弹性梁407、第一弹性梁408，4根所述第二弹性梁5分别为第二弹性梁501、第二弹性梁502、第二弹性梁503、第二弹性梁504，所述第一弹性梁401和所述第一弹性梁402关于所述第二弹性梁501对称设置，所述第一弹性梁403和所述第一弹性梁404关于所述第二弹性梁502对称设置，所述第一弹性梁405和所述第一弹性梁406关于所述第二弹性梁503对称设置，所述第一弹性梁407和所述第一弹性梁408关于所述第二弹性梁504对称设置；

多个所述应变片7分别由Rn(n＝1，2，3，4……)来表示，则：

如图2、图3所示，R1设置在所述第一弹性梁401的上表面靠近所述基座2的一端，R2设置在所述第一弹性梁401的下表面靠近所述第二弹性梁501的一端，R3设置在所述第一弹性梁402的上表面靠近所述第二弹性梁501的一端，R4设置在所述第一弹性梁402的下表面靠近所述基座2的一端，R5设置在所述第一弹性梁403的上表面靠近所述基座2的一端，R6设置在所述第一弹性梁404的下表面靠近所述基座2的一端，R7设置在所述第一弹性梁405的上表面靠近所述基座2的一端，R8设置在所述第一弹性梁405的下表面靠近所述第二弹性梁503的一端，R9设置在所述第一弹性梁406的上表面靠近所述第二弹性梁503的一端，R10设置在所述第一弹性梁406的下表面靠近所述基座2的一端，R11设置在所述第一弹性梁407的上表面靠近所述基座2的一端，R12设置在所述第一弹性梁408的下表面靠近所述基座2的一端；

R13、R14分别与R16、R15关于所述第二弹性梁501的中线对称设置，R17与R18关于所述第二弹性梁502的中线对称设置，R19、R20分别与R22、R21关于所述第二弹性梁503的中线对称设置，R23与R24关于所述第二弹性梁504的中线对称设置。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。