一种电感式可重构多维力传感器

本发明属于多维力传感器、电涡流位移传感器领域，尤其涉及一种电感式可重构多维力传感器。

背景技术：

1、多维力传感器是指能够同时测量笛卡尔坐标系中三维正交力/力矩的传感器，相关技术的研究已经有较长的历史，在智能协作机器人，机器人智能制造、康复和医疗机器人、人机交互和遥操作系统、以及空间和深海探测等领域有着广泛的应用。目前多维力/力矩传感器主要的技术原理有应变测量法和位移测量法两种，基于应变测量法的多维力/力矩传感器是通过在弹性梁上贴上12-24个应变片来检测梁的拉伸/压缩或者弯曲。采用应变测量法的传感器包括金属箔应变片、半导体应变片（硅的压阻效应）、光纤布拉格光栅(fbg)等。由于其弹性梁加工以及应变片粘接的复杂性导致其价格居高不下，传感器性能和功能的定制化也较少涉及。而基于位移测量法的多维力/力矩传感器主要以电容式为主，由于电容的大小与电极距离成反比，通常为几十到上百微米的量级，该方法对电极的加工和安装精度有着非常高的要求。此外，电容式传感器虽然具有灵敏度高、线性度高、温度稳定性好等优点，但其容易受湿度、灰尘和油污等环境因素的影响，需要进行真空封装或者密封处理。基于光反射强度的非接触式位移测量法也被用来实现多维力的测量，由于其在成本和定制化方面的优势，以及无电磁干扰等优点，发展非常迅速，但是其性能和体积与传统的六维力/力矩传感器还有一定差距。

2、电涡流位移传感器是采用基于涡流效应的位移传感器。电涡流位移传感器可以实现非常高的位移测量分辨率，同时具有非接触测量、稳定性高、对环境污染不敏感、工作温度范围宽、频率响应宽等诸多优势。电涡流位移传感器容易受到电磁干扰的影响，需要复杂的屏蔽处理。目前电涡流位移传感器已经广泛地应用与各种实验研究和工业现场的位移、振动、角度、速度等的测量。其原理是对测量线圈施加高频激励从而在目标导体中产生感应涡流，将探测线圈与被测目标之间的距离变化转换为感应线圈阻抗(包括电感和电阻)的变化，而其信号调理电路通过测量探测线圈参数的变化来获取位移信息。

3、面对快速增长的个性化应用场景，低成本、可定制、耐冲击、易于集成的六维力传感器迫切需要取得突破。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种电感式可重构多维力传感器，其为一种基于电感式微位移测量法的可重构多维力传感器，是一种基于位移测量法的多维力传感器，能够实现传感器功能上的重构，通过改变金属板相对于线圈阵列的角度可以实现从测量x、y、z三轴力到测量z轴力和xy轴扭矩的改变，同时能够实现性能（传感器的量程、分辨率、灵敏度）的重构。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种电感式可重构多维力传感器，包括上盖板、弹性体、金属板、垫片、电感测量模块、线圈阵列、通讯接口、底座。

4、其中上盖板、弹性体、金属板通过弹性体中间的正方形孔粘接到一起构成力-位移转换装置，其中上盖板位于最上部，弹性体位于中间，金属板位于下部，该装置可以将上盖板上所承受的力转换为金属板的位移/旋转。

5、线圈阵列、通讯接口位于电感测量模块上，而电感测量模块安装在底座上用于测量线圈阵列的电感。

6、弹性体的外边框和垫片上有四个小孔，通过四个螺栓将力-位移转换装置，垫片以及装有电感测量模块的底座固定在一起，其中垫片位于底座和力-位移转换装置中间，用来确保金属板与线圈阵列之间的距离。

7、本发明基于电涡流位移测量原理，当被测多维力施加到传感器的上盖板的时候造成弹性体的形变，引起金属板的移动，从而使金属板和线圈阵列之间的法向与切向间距改变，金属板中的涡流强度产生变化，与线圈阵列的磁场耦合也发生变化，因此使得线圈阵列的电感变化，通过处理测量得到的四个线圈的电感值得到多维力的信息。

8、优选的，一个上盖板作为加载平台和弹性体连接在一起，直接承受力和力矩，并将力无损耗的施加到弹性体的内移动块上。

9、优选的，弹性体的作用是将力学信息转换成位移信息，当力和力矩施加在弹性体的内移动块上时，由于弹性体的应变梁的变形会导致内移动块产生一个相对线圈阵列的位移/旋转。

10、优选的，弹性体和金属板固定在一起，其形变会使金属板发生位移，改变与线圈阵列之间的切向以及法向距离，从而改变线圈阵列的电感。

11、优选的，采用四个线圈组成的线圈阵列，借助这种排布将金属板的多维位移/旋转可以通过相应的电感解耦方程表达。

12、优选的，电感测量模块给每个线圈施加一个高频交流电流，同时能以极高的分辨率测量出四个线圈电感。

13、优选的，线圈电感随金属板和线圈距离的变化关系近似为指数曲线。因此在不同的距离区间内灵敏度不同，借助这个特性通过改变垫片的厚度从而调整金属板相对于线圈阵列的位移区间，进而实现传感器测量范围的定制，同时通过改变弹性体的刚度（厚度或结构），能够实现传感器灵敏度（分辨率）的定制。

14、优选的，加载在传感器上的力最终引起线圈电感的变化，电感测量模块同时测量四个线圈的电感，并转换为数字量从而减少传输过程的干扰，再通过通讯接口与上位机交互借助解耦矩阵获得相应的力的信息。

15、优选的，上盖板和弹性体之间设有安全距离，当超出安全距离时视为过载，此时上盖板接触到弹性体的外边框，阻止弹性体继续移动，从而实现过载保护的效果。

16、有益效果：

17、本发明是一种全新的基于位移测量的多维力/力矩传感器，结构简单，成本低，具有过载保护功能，能够测量动态和静态力，并且该传感器以电涡流位移传感器为基础，兼具电涡流位移传感器可靠性好、灵敏度高、非接触式测量、且相对于基于电容式位移测量法的多维力/力矩传感器具有对油污温度变化不敏感的特点。

18、本发明通过测量金属板的多维位移从而实现了多维力的测量，其样机x、y、z三轴力测量范围达到为0-20n，三轴分辨率接近1mn，同时在10小时长时间工作中，x、y轴漂移为仅为0.02n，z轴为0.06n。本发明通过更改金属板相对于线圈阵列的角度配置从而实现同时测量x、y、z三轴力或者同时测量z轴力和x、y轴扭矩不同功能上的重构，通过更改弹性体刚度和垫片厚度实现量程，灵敏度及分辨率的性能上的重构，解决了传统多维力传感器量程和灵敏度固定造成的使用场景要求高的问题。更为重要的是，本发明所设计的易拆卸式弹性体和垫片，传感器整体的组装在几分钟内就能够完成，且整体具有很高的集成性，不需要额外的信号调理装置。

19、本发明结合电涡流位移传感器的特点提出了基于电感微位移测量的可重构多维力/力矩传感器，稳定性好，性能优异，价格便宜且能够实现功能和性能的重构，有望推动多维力传感器在智能机器人、智能制造、遥操作系统、医疗健康和人机交互等方面的广泛应用，促进相关领域的发展，实现良好的社会经济效益。

技术特征：

1.一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，包括底座（8）、力-位移转换装置、电感测量装置，所述电感测量装置包括电感测量模块（5）、线圈阵列（6）、通讯接口（7），线圈阵列（6）位于电感测量模块（5）上，电感测量模块（5）安装在底座（8）上；所述力-位移转换装置由上盖板（1）、弹性体（2）和金属板（3）组成，上盖板（1）、弹性体（2）、金属板（3）通过弹性体（2）中间的正方形孔粘接到一起，其中上盖板（1）位于最上部，弹性体（2）位于中间，金属板（3）位于下部，所述力-位移转换装置将上盖板（1）上所承受的力转换为金属板（3）的位移/旋转；弹性体（2）的外边框（11）和垫片（4）上均设有四个小孔，通过四个螺栓（9）将力-位移转换装置、垫片（4）以及装有电感测量模块（5）的底座（8）固定在一起，其中垫片（4）位于底座（8）和力-位移转换装置中间，用来确保金属板（3）与线圈阵列（6）之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，所述底座（8）的材料为非导电性材料，所述非导电性材料包括工程塑料，所述上盖板（1）、弹性体（2）的材料为具有刚度的材料。

3.根据权利要求1所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，所述垫片（4）的厚度可调节，通过调节垫片（4）的厚度改变金属板（3）的位移区间，从而改变测量范围。

4.根据权利要求1所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，所述弹性体（2）的刚度可调节，通过调节弹性体（2）的刚度获得不同的灵敏度、分辨率、量程。

5.根据权利要求1所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，所述金属板（3）为二维形状，所述二维形状包括正方形、圆形、三角形或长方形；所述线圈阵列（6）采用pcb工艺、绕铜线圈或fpcb工艺制造，所述线圈阵列（6）包括四个线圈，单个线圈的形状为二维形状。

6.根据权利要求5所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，所述电感测量模块（5）同时测量四个线圈的电感值。

7.根据权利要求1所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，所述金属板（3）与线圈阵列（6）之间的多维位移/旋转通过电感解耦方程表达，多维位移/旋转包括z轴法向位移，x、y轴切向位移，x、y轴旋转。

8.根据权利要求1所述的一种电感式可重构多维力传感器，其特征在于，通过更改金属板（3）相对于线圈阵列（6）的配置角度，以及改变上盖板（1）的形状，实现从同时测量x、y、z三轴力，到同时测量z轴力和x、y扭矩的功能重构。

技术总结
本发明提供了一种电感式可重构多维力传感器，涉及多维力/力矩传感器领域，由底座、电感测量模块、力‑位移转换装置组成，所述电感测量模块，固定在底座上用于测量线圈阵列电感，所述力‑位移转换装置由上盖板和弹性体，金属板组成并固定在一起，上盖板承受的多维力/力矩转换为金属板的多维位移/旋转。传感器通过线圈阵列与金属板的电磁耦合测量金属板的多维位移从而实现了多维力的测量，传感器通过更改金属板相对于线圈阵列的角度配置实现测量力到测量力矩的功能重构，通过更改弹性体刚度和垫片厚度实现量程，灵敏度及分辨率的性能重构。本发明解决了传统基于应变测量的多维力传感器无法调节传感器性能及其功能的问题。

技术研发人员：王洪波,徐迎澳,吴后平,张世晟,常新新
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17