一种双目结构的无耦合六维力传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，涉及一种力传感器。

背景技术：

随着机器人技术的飞速发展，对于具有多传感器感知的机器人提出了更高的要求。力觉作为机器人一个非常重要的功能，在机器人发展中起着至关重要的作用。作为感知机器人力觉最重要的一种传感器，六维力传感器在机器人的腕部力感知、机器人灵巧手指尖力检测、仿人机器人足部力测量等方面发挥着非常大的作用。因此，六维力传感器的相关技术是机器人领域的一大研究热点和难点问题。六维力传感器的灵敏度、维间耦合、精度和迟滞等是影响传感器使用性能的最重要指标。如何提高六维力传感器的灵敏度、精度，降低维间耦合、减小迟滞一直以来是备受研究的焦点问题，但迄今为止并没有一个很好的解决方法。

现有的用于检测六维力传感器受力后的弹性体往往为实心梁，如中国专利公开号分别为cn103940544b、cn103487194b、cn103528746b、cn103528726b、cn104048790a、cn100535620c、cn105651446a的专利，现有的用于检测六维力传感器结构的优点是传感器的刚度大、迟滞小，但缺点是灵敏度低、维间耦合大。专利cn106225977a采用了单向传感器提高测量精度，单向传感器的弹性梁为双目结构，但是该专利的弹性体为组合的弹性体，因此存在间隙、预紧力等问题，从而导致六维力传感器存在较大的迟滞效应，影响测量精度。专利cn102323000b虽然可以降低传感器存在的力耦合，但由于存在螺栓连接会产生不均匀的预紧力，导致传感器具有较大的迟滞，降低测量精度。论文《一种滑动结构的六维力传感器的解耦分析》(详细出处为：wub,caip.decouplinganalysisofaslidingstructuresix-axisforce/torquesensor[j].measurementsciencereview,2013,13(4):187-193)提出的基于滑移结构的解耦六维力传感器虽然也采用了双目结构提高灵敏度，但是由于滑移结构的存在使得传感器弹性体为非整体式，因此存在较大的迟滞，降低测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的六维力传感器灵敏度低、维间耦合大的问题，提出了一种双目结构的无耦合六维力传感器。

本发明所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器，包括三十二个应变片、中心轮毂、上平台加载台、四个上平台敏感梁、下平台固定台和四个下平台敏感梁；

上平台加载台和下平台固定台均为圆环状；

中心轮毂同时位于上平台加载台的中心处和下平台固定台的中心处；

每个下平台敏感梁的一端均固定在中心轮毂下部的外壁上，每个下平台敏感梁的另一端均固定在下平台固定台的内壁上；并且每个下平台敏感梁均开有一号双目结构通孔；

每个上平台敏感梁的一端均固定在中心轮毂上部的外壁上，每个上平台敏感梁的另一端均固定在上平台加载台的内壁上，并且每个上平台敏感梁均开有二号双目结构通孔；

每四个应变片组成一组惠斯通全桥；八组惠斯通全桥均用于实现六维力信息的测量；

上平台加载台上开有多个上平台螺纹孔，下平台固定台上开有多个下平台螺纹孔；多个上平台螺纹孔和多个下平台螺纹孔均用于与外部待测设备进行连接。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明每个下平台敏感梁上开有一号双目结构通孔，每个上平台敏感梁开有二号双目结构通孔；在同等外部尺寸参数的条件下，相较于实心敏感梁，本发明的下平台敏感梁和上平台敏感梁的抗弯模量变小，因此，在同等外部载荷条件下，本发明的下平台敏感梁和上平台敏感梁的应力应变较大，因此会大大提高传感器的灵敏度；

二、本发明采用复杂的敏感元件结构设计一种具有直接解耦的六维力传感器，该传感器具有无耦合的优点。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器的剖面结构示意图；

图2为具体实施方式四中下平台固定台上应变片的位置关系示意图；

图3为具体实施方式四中上平台加载台上应变片的位置关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器，包括三十二个应变片1、中心轮毂4、上平台加载台5、四个上平台敏感梁7、下平台固定台8和四个下平台敏感梁9；

上平台加载台5和下平台固定台8均为圆环状；

中心轮毂4同时位于上平台加载台5的中心处和下平台固定台8的中心处；

每个下平台敏感梁9的一端均固定在中心轮毂4下部的外壁上，每个下平台敏感梁9的另一端均固定在下平台固定台8的内壁上；并且每个下平台敏感梁9均开有一号双目结构通孔2；

每个上平台敏感梁7的一端均固定在中心轮毂4上部的外壁上，每个上平台敏感梁7的另一端均固定在上平台加载台5的内壁上，并且每个上平台敏感梁7均开有二号双目结构通孔3；

每四个应变片1组成一组惠斯通全桥；八组惠斯通全桥均用于实现六维力信息的测量；

上平台加载台5上开有多个上平台螺纹孔6，下平台固定台8上开有多个下平台螺纹孔10；多个上平台螺纹孔6和多个下平台螺纹孔10均用于与外部待测设备进行连接，从而用于实际工况的六维力信息检测。

在本实施方式中，每个下平台敏感梁9上开有一号双目结构通孔2，每个上平台敏感梁7开有二号双目结构通孔3；在同等外部尺寸参数的条件下，相较于实心敏感梁，本实施方式中的下平台敏感梁9和上平台敏感梁7的抗弯模量变小，因此，在同等外部载荷条件下，本实施方式中的下平台敏感梁9和上平台敏感梁7的应力应变较大，因此会大大提高传感器的灵敏度；同时本实施方式采用复杂的敏感元件结构设计一种具有直接解耦的六维力传感器，该传感器具有无耦合的优点。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，一号双目结构通孔2的形状和二号双目结构通孔3的形状相同；并且一号双目结构通孔2的横截面积与二号双目结构通孔3的横截面积依据所述双目结构的无耦合六维力传感器的量程进行设定。

在本实施方式中，一号双目结构通孔2的横截面积与二号双目结构通孔3的横截面积可以相同，也可以不相同。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，四个下平台敏感梁9沿中心轮毂4的周向方向均匀分布；四个上平台敏感梁7沿中心轮毂4的周向方向均匀分布。

在本实施方式中，相邻的两个下平台敏感梁9之间的夹角为90度，相邻的两个上平台敏感梁7之间的夹角同为90度。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，三十二个应变片1分别为应变片s1-s32；并且应变片s1-s32的初始电阻值相同；

应变片s5、应变片s6、应变片s19和应变片s17组成第一组惠斯通全桥；

应变片s11、应变片s12、应变片s22和应变片s24组成第二组惠斯通全桥；

应变片s27、应变片s28、应变片s31和应变片s32组成第三组惠斯通全桥；

应变片s25、应变片s26、应变片s29和应变片s30组成第四组惠斯通全桥；

应变片s1、应变片s2、应变片s9和应变片s10组成第五组惠斯通全桥；

应变片s15、应变片s7、应变片s8和应变片s16组成第六组惠斯通全桥；

应变片s13、应变片s14、应变片s21和应变片s23组成第七组惠斯通全桥；

应变片s3、应变片s4、应变片s18和应变片s20组成第八组惠斯通全桥。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，一号双目结构通孔2为上下通孔；

所述四个下平台敏感梁9沿圆周方向依次为第一下平台敏感梁9-1、第二下平台敏感梁9-2、第三下平台敏感梁9-3和第四下平台敏感梁9-4；

应变片s3和应变片s4粘贴在第一下平台敏感梁9-1的一个侧壁上，应变片s18和应变片s20粘贴在第三下平台敏感梁9-3的一个侧壁上；

应变片s7和应变片s8粘贴在第一下平台敏感梁9-1的另一个侧壁上，应变片s15和应变片s16粘贴在第三下平台敏感梁9-3的另一个侧壁上；

应变片s1和应变片s2粘贴在第四下平台敏感梁9-4的一个侧壁上，应变片s9和应变片s10粘贴在第二下平台敏感梁9-2的一个侧壁上；

应变片s23和应变片s21粘贴在第四下平台敏感梁9-4的另一个侧壁上，应变片s13和应变片s14粘贴在第二下平台敏感梁9-2的另一个侧壁上。

在本实施方式中，第五组惠斯通全桥用于测量切向力fy；第八组惠斯通全桥用于测量切向力fx；第六组惠斯通全桥和第七组惠斯通全桥均用于测量扭矩mz。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，二号双目结构通孔3与一号双目结构通孔2的开孔方向垂直；

所述四个上平台敏感梁7沿圆周方向依次为第一上平台敏感梁7-1、第二上平台敏感梁7-2、第三上平台敏感梁7-3和第四上平台敏感梁7-4；

应变片s27和应变片s28粘贴在第一上平台敏感梁7-1的底面上，应变片s31和应变片s32粘贴在第三上平台敏感梁7-3的底面上；

应变片s5和应变片s6粘贴在第一上平台敏感梁7-1的顶面上，应变片s17和应变片s19粘贴在第三上平台敏感梁7-3的顶面上；

应变片s29和应变片s30粘贴在第四上平台敏感梁7-4的底面上，应变片s25和应变片s26粘贴在第二上平台敏感梁7-2的底面上；

应变片s11和应变片s12粘贴在第四上平台敏感梁7-4的顶面上，应变片s22和应变片s24粘贴在第二上平台敏感梁7-2的顶面上。

在本实施方式中，第一组惠斯通全桥用于测量弯矩mx；第二组惠斯通全桥用于测量弯矩my；第三组惠斯通全桥和第四组惠斯通全桥均用于测量轴向力fz。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，多个上平台螺纹孔6在上平台加载台5上沿圆周方向均匀分布；多个下平台螺纹孔10在下平台固定台8上沿圆周方向均匀分布。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种双目结构的无耦合六维力传感器进一步限定，在本实施方式中，中心轮毂4、上平台加载台5、四个上平台敏感梁7、下平台固定台8和四个下平台敏感梁9均为一体结构；并且该一体结构采用硬铝合金、不锈钢或合金结构钢制成。

在本实施方式中，采中心轮毂4、上平台加载台5、四个上平台敏感梁7、下平台固定台8和四个下平台敏感梁9均为一体结构，敏感元件不存在预紧力和装配间隙等问题，所以迟滞小，精度高。