一种能感知接触力和牵引力的六维力传感器的制作方法

本实用新型属于传感器领域，更具体地，涉及一种六维力传感器。

背景技术：

目前，工业机器人已广泛应用于汽车、电气电子、机械、橡胶化工、食品饮料等行业，主要从事焊接、装配、喷涂、搬运、码垛、上下料、磨削抛光等工作。工业机器人的应用提高了产品质量，降低了企业成本，提高了企业生产效率，减轻了工人劳动量，使工人从简单重复性劳动中解脱出来。然而，现有的工业机器人主要是替代流水生产线上的工人从事一些简单重复性工作，这些工作充分发挥了机器人的精准、力量、速度、环境耐受力等人难以匹及的优势。受限于机器人难以像人一样具有强大的环境感知能力、学习能力、预见能力、自我调节能力、逻辑推理能力等，机器人很难完全替代人从事复杂的工作。然而，受限于人的生理和心理因素，人体在长期高强度作业后易出现疲劳、生理损伤、精力不集中、厌倦、暴躁等生理和心理现象。为了能够将人从高强度作业中解放出来，就需要人机协同工作，以实现优势互补。

为了实现人机协作，需要使机器人感知并理解人的意图，即需要采用传感器协助机器人感知人的意图。在诸多传感器中，力传感器因其对机器人与外界环境接触力的精确感知已成为最重要的机器人传感器之一。将力传感器引入到工业机器人控制系统中，可以使工业机器人具备直接示教、曲面跟踪、精密装配、磨削、去毛刺、擦洗等功能，可以大大拓展工业机器人的应用领域。用于机器人的力传感器分为关节式力传感器、腕式力传感器和手指式力传感器。腕式力传感器被安装于机器人手腕与末端执行器之间，能够获得机器人工作过程中的大部分力信息，由于其具备精度高、可靠性好、使用方便等优点，是工业机器人力控制中的常用力传感器。

现有的腕式力传感器全部仅有一个力敏感单元，可以感知末端执行器与环境或人手之间的相互作用力，实现对环境或人意图的顺从。当机器人末端执行器与环境及人与机器人末端同时存在相互作用力时，现有的腕式力传感器无法实现同时精确感知人作用于机器人末端力的大小和方向及机器人末端执行器与环境之间的相互作用力。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种能感知接触力和牵引力的六维力传感器，可以解决机器人末端执行器与环境、以及人与机器人末端同时存在相互作用力时，实现机器人末端执行器与环境之间相互作用力和人作用于机器人末端作用力的同时精确感知。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种能感知接触力和牵引力的六维力传感器，其特征在于，包括接触力传感器和牵引力传感器，其中，

所述接触力传感器包括第一弹性体、固定法兰、第一固支环和固定外壳，所述第一弹性体包括接触力检测十字交叉梁和受力圆盘，所述接触力检测十字交叉梁包括第一中间支撑轴及周向均匀设置在所述第一中间支撑轴上的四条第一支梁，所述第一中间支撑轴与所述受力圆盘固定连接，所述固定法兰在对应于四条所述第一支梁的位置设置有四个第一卡槽，所述第一固支环在对应于四条所述第一支梁的位置也设置有四个第二卡槽，每条所述第一支梁的一端分别伸入一第一卡槽和一第二卡槽处，所述第一固支环固定连接在所述固定法兰上，所述固定外壳固定连接在所述第一固支环上，并且所述受力圆盘外露于所述固定外壳；

每条所述第一支梁上分别设置有第一检测通孔和第二检测通孔，第一检测通孔和第二检测通孔沿所述第一支梁的纵向设置并且第一检测通孔到第一中间支撑轴的距离小于第二检测通孔到第一中间支撑轴的距离，并且所述第一检测通孔的深度方向与所述第一中间支撑轴的纵向一致，所述第二检测通孔的深度方向与所述第一中间支撑轴的横向一致，所述第一支梁的外壁在对应于所述第一检测通孔和第二检测通孔的位置分别贴附有用于测量接触力的应变片；

所述牵引力传感器包括受力外壳及设置在所述受力外壳内的第二弹性体和第二固支环，所述第二弹性体具有牵引力检测十字交叉梁，所述牵引力检测十字交叉梁包括第二中间支撑轴及周向均匀设置在所述第二中间支撑轴上的四条第二支梁，所述第二中间支撑轴与所述固定法兰固定连接，所述受力外壳的内壁在对应于四条所述第二支梁的位置设置有四个凸台，每条所述第二支梁分别搁置在一所述凸台上，所述第二固支环在对应于四条所述第二支梁的位置设置四个第三卡槽，每条所述第二支梁的一端分别伸入一第三卡槽处，所述第二固支环固定安装在所述受力外壳的内壁上并将每条所述第二支梁均压紧在所述凸台上；

每条所述第二支梁上分别设置有第三检测通孔和第四检测通孔，第三检测通孔和第四检测通孔沿所述第二支梁的纵向设置并且第三检测通孔到第二中间支撑轴的距离小于第四检测通孔到第二中间支撑轴的距离，并且所述第三检测通孔的深度方向与所述第二中间支撑轴的纵向一致，所述第四检测通孔的深度方向与所述第二中间支撑轴的横向一致；所述第二支梁的外壁在对应于第三检测通孔和第四检测通孔的位置分别贴附有用于测量牵引力的应变片。

优选地，每条所述第一支梁均包括第一检测块和第二检测块，所述第一检测块的一端固定在所述第一中间支撑轴上并且另一端连接所述第二检测块，所述第一检测块和第二检测块上分别设置有第一检测通孔和第二检测通孔。

优选地，所述固定法兰伸入所述受力外壳内。

优选地，所述第二弹性体还具有与所述第二中间支撑轴固定连接在一起的固支圆盘，所述固支圆盘上设置有连接孔，以便将所述牵引力传感器连接到机器人末端。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本实用新型可以测量施加于受力圆盘上的接触力，也可以测量施加于受力外壳上的牵引力，具备同时感知人作用于机器人末端的牵引力及机器人末端执行器与环境之间接触力的能力，可实现接触力和牵引力的同时精确感知，这有助于促进工业机器人的研究进展，也有助于扩展工业机器人的应用范围。

2)本实用新型的第一弹性体和第二弹性体分别使用了接触力检测十字交叉梁和牵引力检测十字交叉梁，弹性体上的的应变敏感点仅对相应被测单维力(力偶)敏感，而不易受其他方向力(力偶)的影响，弹性体耦合现象不明显。

附图说明

图1是本实用新型的立体示意图；

图2是本实用新型的分解示意图；

图3是本实用新型的一旋转剖视示意图；

图4是本实用新型中第一弹性体的立体示意图；

图5是本实用新型中第一弹性体的主视图

图6是本实用新型中第一弹性体的俯视图；

图7是图5中沿A-A线的剖视图；

图8是本实用新型中第二弹性体的结构示意图；

图9是第二弹性体的主视图；

图10是图9中沿B-B线的剖视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图10，一种能感知接触力和牵引力的六维力传感器，包括接触力传感器1和牵引力传感器2，其中，

所述接触力传感器1包括第一弹性体11、固定法兰12、第一固支环13和固定外壳14，所述第一弹性体11包括接触力检测十字交叉梁15和受力圆盘16，所述接触力检测十字交叉梁15包括第一中间支撑轴17及周向均匀设置在所述第一中间支撑轴17上的四条第一支梁18，所述第一中间支撑轴17与所述受力圆盘16固定连接，所述固定法兰12在对应于四条所述第一支梁18的位置设置有四个第一卡槽19，所述第一固支环13在对应于四条所述第一支梁18的位置也设置有四个第二卡槽110，每条所述第一支梁18的一端分别伸入一第一卡槽19和一第二卡槽110处，所述第一固支环13固定连接在所述固定法兰12上，所述固定外壳14固定连接在所述第一固支环13上，并且所述受力圆盘16外露于所述固定外壳14；

每条所述第一支梁18上分别设置有第一检测通孔111和第二检测通孔112，第一检测通孔111和第二检测通孔112沿所述第一支梁18的纵向设置并且第一检测通孔111到第一中间支撑轴17的距离小于第二检测通孔112到第一中间支撑轴17的距离，并且所述第一检测通孔111的深度方向与所述第一中间支撑轴17的纵向一致，所述第二检测通孔112的深度方向与所述第一中间支撑轴17的横向一致，所述第一支梁18的外壁在对应于所述第一检测通孔111和第二检测通孔112的位置分别贴附有用于测量接触力的应变片；

所述牵引力传感器2包括受力外壳21及设置在所述受力外壳21内的第二弹性体22和第二固支环23，所述第二弹性体22具有牵引力检测十字交叉梁24，所述牵引力检测十字交叉梁24包括第二中间支撑轴25及周向均匀设置在所述第二中间支撑轴25上的四条第二支梁26，所述第二中间支撑轴25与所述固定法兰12固定连接，所述受力外壳21的内壁在对应于四条所述第二支梁26的位置设置有四个凸台27，每条所述第二支梁26分别搁置在一所述凸台27上，所述第二固支环23在对应于四条所述第二支梁26的位置设置四个第三卡槽28，每条所述第二支梁26的一端分别伸入一第三卡槽28处，所述第二固支环23固定安装在所述受力外壳21的内壁上并将每条所述第二支梁26均压紧在所述凸台27上；

每条所述第二支梁26上分别设置有第三检测通孔29和第四检测通孔210，第三检测通孔29和第四检测通孔210沿所述第二支梁26的纵向设置并且第三检测通孔29到第二中间支撑轴25的距离小于第四检测通孔210到第二中间支撑轴25的距离，并且所述第三检测通孔29的深度方向与所述第二中间支撑轴25的纵向一致，所述第四检测通孔210的深度方向与所述第二中间支撑轴25的横向一致；所述第二支梁26的外壁在对应于第三检测通孔29和第四检测通孔210的位置分别贴附有用于测量牵引力的应变片。

进一步，每条所述第一支梁18远离所述第一中间支撑轴17的一端的端面分别与所述固定法兰12的第一卡槽19和第一固支环13的第二卡槽110中与端面平行的面之间存在间隙。

进一步，每条所述第二支梁26远离所述第二中间支撑轴25的一端的端面分别与所述第二固支环23的第三卡槽28中与端面平行的面之间存在间隙。

进一步，每条所述第一支梁18均包括第一检测块113和第二检测块114，所述第一检测块113的一端固定在所述第一中间支撑轴17上并且另一端连接所述第二检测块114，所述第一检测块113和第二检测块114上分别设置有第一检测通孔111和第二检测通孔112。

进一步，所述固定法兰12伸入所述受力外壳21内。

进一步，所述第二弹性体22还具有与所述第二中间支撑轴25固定连接在一起的固支圆盘211，所述固支圆盘211上设置有连接孔，以便将所述牵引力传感器2连接到机器人末端。

本实用新型的接触力传感器1通过螺钉连接与牵引力传感器2串联，本实用新型应用时，将接触力传感器1的受力圆盘16与末端执行器相连，以用于感知工业机器人末端执行器与环境之间的接触力，牵引力传感器2的固支圆盘211与机器人末端相连，以用于感知人作用于工业机器人的牵引力，且接触力传感器1上的测量值不受牵引力的影响，牵引力传感器2的测量值不受接触力的影响。

本实用新型提供的六维力传感器用于接触力和牵引力的感知，其工作原理如下：

(1)接触力传感器1的工作原理

接触力作用于第一弹性体11的受力圆盘16上，使第一弹性体11因受力变形而产生与接触力成线性关系的应变，通过测量粘贴于第一弹性体11上的应变片(应变片位置参照图5、图6中的点m_a1、m_a2、m_b1、m_b2，和图7中的点n_a1、n_a2、n_b1、n_b2)输出应变值的大小实现接触力的感知。

作用于第一弹性体11的受力圆盘16的接触力和力矩可分解为F_x、F_y、F_z和M_x、M_y、M_z：在F_x作用下，第一弹性体11的梁b-b中的第一检测块113产生弯曲变形致使点n_b1、n_b2处产生应变，通过测量点n_b1、n_b2处的应变值即可实现F_x的测量；在F_y作用下，第一弹性体11的梁a-a中的第一检测块113产生弯曲变形致使点n_a1、n_a2处产生应变,通过测量点n_a1、n_a2处的应变值即可实现F_y的测量；在F_z作用下，第一弹性体11的梁a-a(其中两条平行的支梁和第一中间支撑轴17共同形成的长梁)和梁b-b(另两条平行的支梁和第一中间支撑轴17共同形成的长梁)中的第二检测块114产生弯曲变形致使点m_a1、m_a2、m_b1、m_b2处产生应变,通过测量点m_a1、m_a2、m_b1、m_b2处的应变值即可实现F_z的测量；在M_x作用下，第一弹性体11的梁b-b中的第二检测块114产生弯曲变形致使点m_b1、m_b2处产生应变，通过测量点m_b1、m_b2处的应变值即可实现M_x的测量；在M_y作用下，第一弹性体11的梁a-a中的第二检测块114产生弯曲变形致使点m_a1、m_a2处产生应变,通过测量点m_a1、m_a2处的应变值即可实现M_y的测量；在M_z作用下，第一弹性体11的梁a-a和梁b-b中的第一检测块113产生弯曲变形致使点n_a1、n_a2、n_b1、n_b2处产生应变,通过测量点n_a1、n_a2、n_b1、n_b2处的应变值即可实现M_z的测量。

(2)牵引力传感器2的工作原理

牵引力作用于受力外壳21上，再通过第二固支环23作用于第二弹性体22的受力端，使弹性体因受力变形而产生与接触力成线性关系的应变，通过测量粘贴于第二弹性体22上的应变片(应变片位置参照图9、图10中的点m_c1、m_c2、m_d1、m_d2和图9中的点n_c1、n_c2、n_d1、n_d2)输出应变值的大小实现牵引力的感知。

作用于第二弹性体22的受力端的接触力和力矩可分解为F_x、F_y、F_z和M_x、M_y、M_z：在F_x作用下，第二弹性体22的梁d-d(其中两平行的第二支梁26和第二中间支撑轴25共同形成的长梁)中的具有第三检测通孔的部分梁体212产生弯曲变形致使点n_d1、n_d2处产生应变，通过测量点n_d1、n_d2处的应变值即可实现F_x的测量；在F_y作用下，第二弹性体22的梁c-c(另外两平行的第二支梁26和第二中间支撑轴25共同形成的长梁)中的具有第三检测通孔的部分梁体212产生弯曲变形致使点n_c1、n_c2处产生应变,通过测量点n_c1、n_c2处的应变值即可实现F_y的测量；在F_z作用下，第二弹性体22的梁c-c和梁d-d中的具有第四检测通孔的部分梁体213产生弯曲变形致使点m_c1、m_c2、m_d1、m_d2处产生应变，通过测量点m_c1、m_c2、m_d1、m_d2处的应变值即可实现F_z的测量；在M_x作用下，第二弹性体22的梁d-d中的具有第四检测通孔的部分梁体213产生弯曲变形致使点m_d1、m_d2处产生应变，通过测量点m_d1、m_d2处的应变值即可实现M_x的测量；在M_y作用下，第二弹性体22的梁c-c中的具有第四检测通孔的部分梁体213产生弯曲变形致使点m_c1、m_c2处产生应变,通过测量点m_c1、m_c2处的应变值即可实现M_y的测量；在M_z作用下，第二弹性体22的梁c-c和梁d-d中的具有第三检测通孔的部分梁体212产生弯曲变形致使点n_c1、n_c2、n_d1、n_d2处产生应变,通过测量点n_c1、n_c2、n_d1、n_d2处的应变值即可实现M_z的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。