多维力传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，具体地来说，是一种多维力传感器。

背景技术：

传感器，是能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，在工业化进程中发挥着重要作用。传感器的种类众多，包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等多种类型。其中，力传感器是一种将各种力与力矩信息转换为电信号输出的装置。

多维力传感器是能够同时检测三维直角坐标空间中多个方向的力/力矩信息的传感器。例如，六维力传感器能够同时测量三个力分量与三个力矩分量。自二十世纪七十年代问世以来，多维力传感器已经在智能机器人、航天航空、自动化装配制造、体育竞技等众多领域得到广泛应用。尤其在智能机器人领域，多维力传感器对机器人的高质量控制有着尤为重要的意义，属于研究热点。

多维力传感器属于涉及多个学科交叉的复杂课题，仍然处于研究发展之中，在研制和应用中还存在很多问题。为了实现较为理想的多维测量目的，目前的多维力传感器一般需要采用复杂的机械结构以感知被测量对象，设计难度很大、工艺制程要求繁琐严苛，对产业发展造成很大制约。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多维力传感器，采用简洁可靠的机械结构实现理想的多维力/力矩测量，具有易于实施、机械性能可靠、测量精度高的优点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种多维力传感器，包括：

形变环，包括环式应变梁与位于所述环式应变梁两端的固定端，所述环式应变梁具有闭合环形构造；

测量环，用于测量多维力/力矩，包括环形分布于所述环式应变梁上的复数个感测单元，每一感测单元用于测量一维力/力矩。

作为上述技术方案的改进，所述感测单元包括一具有应变计的惠斯通电桥，所述应变计设置于所述环式应变梁的表面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述惠斯通电桥包括依次桥接的四个应变计，保持桥接的应变计分布于所述环式应变梁的同侧表面。

作为上述技术方案的进一步改进，同一测量环的复数个感测单元分布于所述环式应变梁的同侧表面；和/或，同一测量环的复数个感测单元沿所述环式应变梁的周向均匀分布。

作为上述技术方案的进一步改进，同一测量环的感测单元的数量不小于所需测量的多维力/力矩的维度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述测量环的数量至少为一；

当所述测量环为复数个时，复数个测量环沿所述环式应变梁的轴向间距阵列。

作为上述技术方案的进一步改进，所述固定端具有环形法兰构造，所述环形法兰构造与所述环式应变梁中空贯通，所述环形法兰构造的环形外缘凸出于所述环式应变梁的环形轮廓之外。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环形法兰构造与所述环式应变梁具有共轴分布关系。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环式应变梁与所述固定端具有一体成型结构且于连接处圆滑过渡；和/或，所述环式应变梁与所述固定端于连接处圆滑过渡。

作为上述技术方案的进一步改进，所述环式应变梁具有薄壁结构；和/或，所述环式应变梁沿其轴向保持处处不变。

本发明的有益效果是：

(1)于形变环的固定端加载被测量载荷，使环式应变梁产生可供测量的形变，环式应变梁具有闭合环形构造的连续性特点，避免非连续结构及由此引起的应力集中与结构薄弱，结构简洁、易于实施、机械结构可靠，使形变的线性特性最大化，提高形变测量精度而保证多维力/力矩的测量精度；

(2)以环形分布于环式应变梁上的感测单元通过形变测量而实现对多维力/力矩的感测，每一感测单元用于测量一维力/力矩而降低维间耦合，进一步保证多维力/力矩的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的多维力传感器的后视轴测示意图；

图2是本发明实施例1提供的多维力传感器的前视轴测示意图；

图3是本发明实施例1提供的多维力传感器的对剖剖视示意图；

图4是图3中多维力传感器的m处放大示意图；

图5是本发明实施例1提供的多维力传感器的感测单元的惠斯通电桥全桥结构示意图；

图6是本发明实施例1提供的多维力传感器的应变计的环接分布方式示意图；

图7是本发明实施例1提供的多维力传感器的应变计的十字分布方式示意图。

主要元件符号说明：

1000-多维力传感器，0100-形变环，0110-环式应变梁，0120-第一固定端，0121-第一法兰连接孔，0130-第二固定端，0131-第二法兰连接孔，0140-贯通孔，0200-测量环，0210-感测单元，0211-应变计。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对多维力传感器进行更全面的描述。附图中给出了多维力传感器的优选实施例。但是，多维力传感器可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对多维力传感器的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在多维力传感器的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～4，本实施例公开一种多维力传感器1000的具体构造，包括形变环0100与测量环0200，形变环0100于被测量载荷的作用下发生形变，由测量环0200感知形变环0100的形变而获取多维力/力矩的测量值，提供结构简洁、易于实施、机械性能理想、测量精确的感测方式。

形变环0100包括环式应变梁0110与位于环式应变梁0110两端的固定端(第一固定端0120与第二固定端0130)。固定端用于输入加载的被测量载荷，环式应变梁0110用于在被测量载荷作用下发生形变，实现被测量载荷的各维度分量的分立。

其中，环式应变梁0110具有闭合环形构造。所谓闭合环形构造，是指环式应变梁0110的周壁沿其环形方向首尾连接且处处连续，形成结构连续紧密的环体。示范性地，环式应变梁0110的环体形式包括圆柱环体、方柱环体、圆台环体、锥台环体等类型。

在此构造下，环式应变梁0110不发生应力集中，疲劳强度有效提高，机械性能显著增强。同时，环式应变梁0110的形变具有的线性特性实现最大化，测量精度有效保证。此外，环式应变梁0110的结构简洁而易于实施，降低制造与装配难度。补充说明，传统的多维力传感装置需要在载荷加载端之间设置多个分立式应变梁。在被测量载荷作用下，分立式应变梁分别形变。为了提高灵敏度与精度，分立式应变梁的厚度较小，使其结构强度更为薄弱。

示范性地，环式应变梁0110沿其轴向保持处处不变。换言之，沿环式应变梁0110的轴向，环式应变梁0110的横截面轮廓保持连续不变，形成直筒式环体构造。其中的典型代表，包括圆柱环体、方柱环体等形式。在此构造下，环式应变梁0110的形变的线性特性进一步提高，测量精度更为理想。

环式应变梁0110的周壁厚度根据实际需要而定。由于环形应变梁的闭合环形构造所保证的理想强度，环形应变梁的周壁厚度可有效减小，取得形变灵敏度与结构强度的较佳平衡。示范性地，环式应变梁0110具有薄壁结构，进一步提高形变灵敏度。

示范性地，固定端具有环形法兰构造，环形法兰构造的环形外缘凸出于环式应变梁0110的环形轮廓之外，形成凸缘而利于安装连接，并保证较佳的被测量载荷的加载。示范性地，第一固定端0120具有用于对外连接的第一法兰连接孔0121，第二固定端0130具有用于对外连接的第二法兰连接孔0131，使多维力传感器1000于端部实现与外部结构(例如机器人关节)的结构固定。

其中，环形法兰构造与环式应变梁0110中空贯通，使形变环0100具有贯穿其中的贯通孔0140。贯通孔0140的作用至少在于，一方面提供连接线路的走线空间，保证多维力传感器1000的外观封装整齐；另一方面提供对环式应变梁0110的冷却，实现环式应变梁0110的及时散热而减少温变干扰，使测量环0200的测量结果可靠。

示范性地，环形法兰构造与环式应变梁0110具有共轴分布关系，保证被测量载荷均匀加载于环式应变梁0110，环式应变梁0110的形变均匀而保证测量环0200的各感测单元0210的测量精度。

可以理解，环式应变梁0110与固定端之间具有精确的力/力矩传递关系。示范性地，环式应变梁0110与固定端具有一体成型结构，对力/力矩传递精度提供进一步保证。可以理解，环式应变梁0110与固定端可由相同或不同的材料制成。

示范性地，环式应变梁0110与固定端于连接处圆滑过渡，避免结构突变及由此引起的应力集中与力传递失真，提升结构可靠性与力值传递精度。其中，圆滑过渡可通过圆弧结构、平滑曲面等方式实现。

示范性地，固定端的刚度大于环式应变梁0110的刚度，使固定端近于刚体而形变最小化。相应地，测量环0200感测的形变数据无限接近于环式应变梁0110的真实形变，从而减少固定端的形变造成的干扰，保证测量精确。

测量环0200用于测量多维力/力矩，获取所需方向的力分量/力矩分量。测量环0200包括环形分布于环式应变梁0110上的复数个感测单元0210，每一感测单元0210用于测量一维力/力矩。换言之，沿环式应变梁0110的周向，各感测单元0210分布于环形的不同位置，从而获取不同测量点的测量值。

测量环0200的数量根据实际需要而决定。示范性地，测量环0200的数量可为一至复数个。当测量环0200为复数个时，复数个测量环0200沿环式应变梁0110的轴向间距阵列，形成环间冗余而保证系统的鲁棒性(robustness)，保证在某一测量环0200发生异常的情形下，多维力传感器1000仍能实现正常测量，兼具提供备份数据的作用。

示范性地，同一测量环0200的复数个感测单元0210分布于环式应变梁0110的同侧表面。该分布方式的作用至少在于，一方面简化装配工艺，避免传统结构存在的走线纷繁杂乱弊端；另一方面使同一测量环0200于同一周面实现形变感测，保证测量精度。

示范性地，同一测量环0200的复数个感测单元0210沿环式应变梁0110的周向均匀分布。该分布方式的作用至少在于，使同一测量环0200对应的各测量点位置均匀，降低相互之间的数据干扰。

感测单元0210的数量根据实际应用环境而决定。示范性地，同一测量环0200的感测单元0210的数量不小于所需测量的多维力/力矩的维度，保证维度下限要求。例如，在六维力传感器中，感测单元0210的数量不小于6。

当感测单元0210的数量大于所需测量的多维力/力矩的维度时，存在用于测量同一维度的力/力矩的多个感测单元0210，形成环内冗余而保证环内的鲁棒性，保证在某一感测单元0210发生异常的情形下，该测量环0200仍能实现正常测量，兼具提供备份数据的作用。

感测单元0210可根据实际测量的物理量而采用对应的元件组成。示范性地，感测单元0210包括一具有应变计0211的惠斯通电桥。换言之，惠斯通电桥的至少一个桥臂为应变计0211。应变计0211粘贴于环式应变梁0110的表面，用以感知环式应变梁0110对应测量点的形变。

较典型地，应变计0211为基于应变效应制作的电阻应变片。当环式应变梁0110于被测量载荷作用下发生形变时，应变计0211随之发生机械变形而使自身电阻值相应变化，而表征该对应形变。于惠斯通电桥中，该应变计0211的阻值变化引起电流(或电压)的变化，对该电流(或电压)的变化值进行测量，即可获知对应的形变值，从而计算对应的力分量/力矩分量的数值。

请参阅图5，示范性地，惠斯通电桥包括依次桥接的四个应变计0211，使其全部桥臂均为应变计0211而形成全桥式应变测量结构。其中相对的两个桥臂的应变计0211用于应变测量，而另外两个桥臂的应变计0211用于温度补偿，保证于复杂形变下对所需的应变分量的精确测量，测量灵敏度与测量精度俱佳。同时，惠斯通电桥及相应的信号调节电路无需设置独立的偏置电阻，使电路结构有效简化。

其中，于同一惠斯通电桥中，保持桥接的应变计0211分布于环式应变梁0110的同侧表面，例如四个应变计0211同时粘贴于环式应变梁0110的外周面或内周面。在此构造下，同一惠斯通电桥的桥臂之间可于同侧实现接线，有别于传统结构中复杂的对侧飞线走线方式，有效提高线路规律程度并降低装配检修难度。

其中，同一惠斯通电桥的应变计0211可采用多种布局方式实现粘贴，诸如依次首尾相对的环接布局(图6)、于同一中心点汇聚的十字形布局(图7)等不同类型。特别地，有别于传统设计中应变计0211需要交叠粘贴的结构限制，基于环式应变梁0110的结构特点，同一惠斯通电桥的四个桥臂可采用无交叠式粘贴结构，应变计0211之间无需交叠而可直接贴合于环形应变梁的表面，有效地提高测量灵敏度与精度，同时增加应变计0211粘贴方式的任意性与便利性。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。