一種雙e型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器的制作方法

專利名稱：一種雙e型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及仿人機器人、多指靈巧手、機器人柔順控制以及虛擬現實技術等機器人傳感器領域，特別涉及一種能夠同時實現對六軸向加速度信息敏感的一體化傳感器結構，以及實現對三軸向線加速度和三軸向角加速度信息獨立獲取方法的一種雙E型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器。
目前廣泛采用的微電子機械技術所提出和生產的基本上是單軸向到三軸向加速度傳感器，而角加速度傳感器是以單軸向為主，無論是基于壓電、壓阻等結構的加速度傳感器，有一個共同的特點是傳感器內部都有慣性質量塊；另外有一種三軸向加速度傳感器是采用三個獨立的單軸向線加速度傳感器采用正交的方法集成，這種方法存在一個重要的問題是慣性質量質心不一致，不是在同一個空間坐標系反映被測量。實際上在機器人研究中，被控制對象的運動一般是在三維空間中進行的，被測對象在運動過程中存在三維的線加速度和三維的角加速度。
加速度傳感器是機器人最重要的內部傳感器之一，由于機器人運動過程中，負載的位置/姿態及運動的變化，將會帶來附加的動載荷，而智能機器人機械臂的運動是三維空間中進行的，機械手或機械臂的各個關節是同時運動的，因此在工作過程中，負載在三維空間中存在三維線加速度和三維角加速度。
對于基于力反饋柔順控制的操作型智能機器人而言，是通過裝在機械手腕部的六軸力傳感器來實現對控制過程中的力的測量，由于負載的位置/姿態及運動變化所產生附加載荷的影響，從力傳感器的輸出中無法得到對力反饋控制所需要的接觸力信息。如果在進行力測量的同時能夠獲得機械手各個關節位置姿態變化和加速度信息，則可以直接利用這些信息進行位置/姿態和慣性力的補償，獲取真正動力學解耦的六維接觸力和負載力信息。
本發明的技術方案是一種雙E型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器，包括法蘭盤固定底座(1)、下E型圓膜片(2)、慣性質量塊(3)、上E型圓膜片(4)、上膜片連接圓片(5)、十字梁(6)、外殼(7)、密封圈(8)、底蓋板(9)、下膜片連接圓片(10)，它們共同構成雙E型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器，其特征在于十字梁(6)對接在上膜片連接圓片(5)和下膜片連接圓片(10)的十字槽中并固定于其中間，上膜片連接圓片(5)的上表面與上E型圓膜片(4)連接，上E型圓膜片(4)的周邊為均布慣性質量塊(3)，質量塊(3)在三維空間保持慣性從而產生慣性力并作用于彈性體；下膜片連接圓片(10)的下表面與下E型圓膜片(2)連接，下E型圓膜片(2)與傳感器底座(1)固定在一起。
外殼(7)和底座(1)通過螺紋聯結在一起，它們之間的空腔充滿了油介質，密封圈(8)安裝在外殼(7)與底座(1)之間的連接部分，用于防止空腔內的介質溢出。空腔中填充的油介質用于實現合適的阻尼控制，以改善傳感器輸出信號特性。
所述的下E型圓膜片(2)、十字梁(6)、上E型圓膜片(4)的材料為97％的AL2O3燒結體陶瓷。
這種立體結構可以將線加速度ax、ay測量與角加速度αx、αy測量分別置于兩個E型圓膜片上，安裝底座(1)方便與被測對象之間的機械連接，慣性質量塊(3)在被測對象運動過程中運動發生變化時帶來慣性力并作用于上下E型圓膜片(4)、(2)和十字梁(6)的彈性體上。
本發明還提供一種用于同時獲取三維線加速度和三維角加速度信息的方法，其特征在于下E型圓膜片(2)、十字梁(6)、上E型圓膜片(4)上燒結有釕系厚膜力敏電阻，其位置如圖3、圖4所示。上下E型圓膜片(4)、(2)敏感面內的電阻對稱布置，每個電阻離圓心距離相等，該厚膜力敏電阻通過不同的敏感橋路布置方式實現對六維加速度信息的獲取，并通過解耦消除相互之間的耦合，同時實現三維線加速度和三維角加速度的全加速度信息獨立獲取；X、Y方向角加速度信息獲取敏感橋路采用在上E型圓膜片(4)平面內互相垂直布置，其厚膜力敏電阻布置位置方向與下E型圓膜片(2)相同，其中上E型圓膜片(4)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y用來實現對角加速度αx的測量；上E型圓膜片(4)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x用來實現對角加速度αy的測量；十字梁(6)上的四個厚膜電阻布置在同一梁平面內，并采用沿上下、左右對稱軸對稱布置，用來獲取力矩αz的信息；下E型圓膜片(2)、和上E型圓膜片(4)的兩個敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y，采用在下E型圓膜片(2)平面內互相垂直布置。Z方向線加速度信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圓膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下E型圓膜片(2)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x用來實現對線加速度ax的測量；
下E型圓膜片(2)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y用來實現對線加速度ay的測量；下E型圓膜片(2)敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z用來實現對線加速度az的測量；上E型圓膜片(4)敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對線加速度az的冗余信息；采用本發明所述的十字梁連接雙E型圓膜結構可以實現對同一空間坐標系內的三維線加速度和三維角加速度同時測量，并且本發明通過改變上下雙E型膜(4)、(2)的結構尺寸和敏感單元位置，可以實現對傳感器ax、ay、az、αx、αy的量程和靈敏度調整。
在前面所述的結構中，十字梁(6)既是上下雙E型圓膜的聯接體和力傳遞構件，又是獲取Z方向角加速度αz信息的敏感彈性體，且實際的輸出信號與輸入力負載之間線性優良，其它的力分量對其理論上沒有影響，實測中的耦合干擾極小。通過十字梁尺寸的變化可以很方便地調整Z方向角加速度信息獲取的量程和靈敏度，克服了Z方向的剛度與其他方向剛度差異較大而引起各方向加速度分量靈敏度之間差異較大的問題。
以上所述的十字梁連接的雙E型圓膜結構的六維加速度傳感器及其信號獲取方式中所述的敏感單元是通過厚膜工藝實現，根據敏感單元的設計位置通過光刻的方法制作掩膜板。通過絲網印刷的方法將具有力敏特性的厚膜漿料印刷在傳感器彈性體上相應的位置，再在一定的溫度下燒結。傳感器制作過程中各種參數調整、工藝實現十分方便。
該傳感器的結構和敏感橋路布置方式可適用于金屬彈性體的應變式六維加速度傳感器或獲取六維加速度信息的裝置，并可適用于不同尺寸和量程要求的六維加速度傳感器或裝置。
本發明的有益效果是本發明對目前機器人學研究中日趨活躍的微驅動操作技術、多指靈巧手及臨場感技術研究中迫切需要小尺寸和小量程的六維加速度傳感器有十分重要的意義。
通過采用厚膜工藝在以陶瓷為彈性體材料的雙E型圓膜片及十字梁上燒結敏感元件實現對六維加速度信息的獲取，這種結構、工藝和信號獲取方法容易實現從微小型化尺寸到大尺寸的各種不同量程六維加速度傳感器的設計，并可以通過改變膜片和梁的厚度、尺寸等結構參數實現對傳感器各個方向的靈敏度調整，以滿足不同場合下機器人全力感知系統的使用要求。
本發明采用的十字梁連接的雙E型圓膜結構，可以實現對三維線加速度和三維角加速度信息的同時獲取，解決了以力矩形式獲取線加速度信息和獲取角加速度信息之間的矛盾，克服了目前一般多維加速度傳感器的強耦合問題；本發明采用的十字梁形式結構，既是本發明的雙E型圓膜的聯結和力傳遞構件，同時又是獲取Mz力矩的敏感彈性體，這種獨立的十字梁結構克服了Z方向角加速度與其他方向線加速度和角加速度之間的相互干擾問題，并且通過改變十字梁的結構尺寸容易實現靈敏度的調整，克服了目前一些專利中Z向的剛度與其他方向剛度不一致的問題，有較大的調整空間和靈活性。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明


圖1為本發明的外形結構剖面示意圖。
圖2為金屬圓膜片結構尺寸剖面圖。
圖3為上下E型圓膜片上敏感電阻布置位置示意圖。
圖4為中間十字梁陶瓷上敏感電阻布置位置示意圖。
圖5為傳感器受到力ax、ay、az作用下E型圓膜片應變圖。
圖6為傳感器受到力矩αx、αy作用下的E型圓膜片應變圖。
圖7為傳感器受到力矩αz作用下的應變立體示意圖和敏感平面應變圖。
圖1為本發明的外形結構剖面示意圖。兩個E型圓膜片2、4通過中間陶瓷十字梁6固接在一起，十字梁6和E型圓膜片2、4之間通過固接在兩圓膜片上的膜片與圓片5、10上的十字槽連接。
整個六維力傳感器的坐標是以上E型圓膜片4的表面中心O為基準，金屬圓片的固定同樣是以O為圓心，并且十字槽的寬度等于十字梁6的厚度，方向與下E型圓膜片2和上E型圓膜片4上的敏感電阻方向一致。
其中上E型圓膜片4外部與慣性質量塊3連接，安裝基座1的外徑大于慣性質量塊外徑，例如慣性質量塊3外徑可以選擇為φ18mm，安裝基座1外徑選擇為φ20mm。慣性質量塊3、安裝基座1應選擇不同的材料，慣性質量塊3的材料和尺寸的選擇根據所設計的傳感器要求靈敏度和量程來定，安裝基座1可選擇鋁合金材料或其他金屬材料，二者也可以根據慣性質量塊來選擇相同的金屬材料。
E型圓膜片2、4和十字梁6的鋁合金膜片連接圓片5、10外徑為φ5mm，相對陶瓷膜片粘貼的面上加工寬度為0.2mm的十字溝槽，溝槽的寬度與十字梁6的厚度相等，溝槽的寬度與陶瓷十字梁6寬度相同，以保證相互之間無間隙配合，陶瓷十字梁6的寬度為5mm，與圓膜片連接圓片5、10的外徑相同，高度選擇為12mm。
圖1、2中上E型圓膜片4和金屬圓片6之間通過703膠固接在一起，上下E型圓膜片結構形狀對稱。對于采用金屬彈性體結構的這種形式的六維加速度傳感器，上、下E型圓膜片連接圓片5、10和十字梁6，上下圓膜片可做成整體結構形式。
上、下E型圓膜片4、2連接上、下圓片5和10的結構形狀如圖3所示。其中與十字梁6固接的一面中間加工有寬度為0.2mm的十字槽以方便與十字梁6之間的連接。
圖3和圖4為上、下E型圓膜片4、2和十字梁6陶瓷上燒結電阻位置示意圖。圖3表示上、下E型圓膜片4、2敏感面上電阻位置圖，其中下E型圓膜片2敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x用來實現對線加速度ax的測量；下E型圓膜片2敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y用來實現對線加速度ay的測量；下E型圓膜片2敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z用來實現對線加速度az的測量；
上E型圓膜片4敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y用來實現對角加速度αx的測量；上E型圓膜片4敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x用來實現對角加速度αy的測量。
上E型圓膜片2敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z可以提供一路對線加速度az的冗余信息。
上下E型圓膜片4、2敏感面內的24個電阻按照圖5所示位置對稱布置，每個膜片的中間6個電阻位于相對圓心直徑為φ6，且每個電阻離圓心距離相等。
圖4表示陶瓷十字梁6上的一個敏感面內厚膜電阻燒結位置示意圖，圖中的電阻R1、R2、R3、R4用來實現對Z向角加速度αz的測量，四個電阻按照圖中位置對稱布置，且盡量遠離對稱軸，電阻的方向與對稱軸相交一角度，例如圖中的30度方向。
圖5為傳感器膜片在三種不同的慣性力作用下的應變情況剖視圖。其中A表示傳感器在如圖所示平面內受到X方向慣性力Fx的作用，由于力作用平面在上E型圓膜片4上，上E型圓膜片4上的電阻R1x、R2x、R3x、R4x都不發生變化，下E型圓膜片2產生如圖所示的變形，下E型圓膜片2上的電阻R1x、R2x、R3x、R4x組成的橋路有輸出，輸出信號與所加力Fx滿足函數關系，通過輸出的值得到所加力大小，而圓膜片上的其他電阻阻值不發生變化，也就不產生輸出。X方向的慣性力大小與其線加速度成正比關系。
對于Y方向來說，輸入輸出及傳感器受力變形與X方向相同，其測量原理也相同，Y方向的慣性力大小與其線加速度成正比關系。
圖5B表示沿Y方向慣性力Fy的傳感器圓膜片變形情況。
圖5C中表示的是傳感器受到如圖所示的慣性力F作用時變形，其方向與Z方向一致。由于上下E型膜片4、2上的R1z、R2z、R3z，、R4z都發生變化，其組成的電橋輸出與所加力大小滿足一定函數關系，可以通過輸出的值得到慣性力Fz的大小，實現對慣性力FZ的測量，實際使用中采用下敏感面電橋輸出，敏感面電橋輸出作為冗余信息。
圖6為被測對象有角加速度αx、αy時，傳感器受到相應慣性力矩Mx、My作用下的E型圓膜片應變圖。
圖6A為傳感器受到慣性力矩Mx時的變形剖視圖，使得上下E型圓膜片4、2產生如圖所示的變形。
傳感器上敏感面上的電阻R1y、R2y、R3y、R4y都產生變化，兩組橋路都會產生輸出，角加速度變化大小與傳感器電阻變化產生的輸出滿足固定的函數關系。
圖6B表示當傳感器受到慣性力矩My作用時變形情況，所產生的效果與Mx力矩相同。如圖6B所示。
圖7為傳感器被測對象有加速度αz時產生的慣性力矩Mz作用下的應變立體示意圖和敏感平面應變圖。
圖7表示傳感器受到慣性力矩作用下中間十字梁6的變形情況，圖中7(A)表示十字梁的敏感面應變情況，圖7(B)表示受到圖(A)同樣的慣性力矩情況下應變立體圖。在如圖所示的慣性力矩作用下，電阻R1、R4受到拉應力，R2、R3受到壓應力，通過特定的電橋即輸出一與所加慣性力矩Mz成函數關系的輸出信號，從而可以實現對慣性力矩Mz的測量，并且在這種情況下，其它橋路沒有信號輸出。慣性力矩的大小與被測的角加速度成正比關系。
具體實施例方式本發明采用厚膜工藝，用絲網印刷技術將力敏電阻漿料和導電體漿料印刷在E型圓膜片和十字梁的陶瓷基體特定位置上，經燒結形成24個厚膜應變電阻，構成六組分別獲取六維加速度信息的橋路。
為了實現小量程和高靈敏度的測量，E型圓膜片厚度采用0.2～0.4mm，十字梁的厚度采用0.2～0.4mm。當采用金屬作為彈性體時，上下E型圓膜和中間十字梁可以加工成為一體化結構，根據前面所述的敏感單元布置方式通過貼應變片電阻的方式實現對三維線加速度三維角加速度信息的獲取，這種方式的各個方向量程和靈敏度調整可以通過改變上下E型圓膜或中間十字梁部分的結構尺寸來實現，這樣本發明可以應用于需要小量程、高靈敏度的六維加速度傳感器和使用六維加速度傳感器裝置。
為了實現上述的結構，本發明加工制造方法包括下述的幾個步驟首先分別加工兩個圓形陶瓷膜片2、4和陶瓷十字梁6，在上面預定位置燒結好厚膜力敏電阻；其次加工兩個直徑φ5mm、厚度為2mm的E型圓膜片連接圓片5、10，在合金圓片一個側面中間加工一個十字溝槽，再將E型圓膜片連接圓片5、10無溝槽面粘貼在陶瓷圓膜片非敏感面的中心位置，同時保證金屬圓片的十字溝槽與E型圓膜片的敏感方向一致；最后將陶瓷十字梁6對接在兩個E型膜片連接圓片5、10的十字溝槽中并固定。
為了方便電橋供電輸入和信號輸出引線連接，在每個E型圓膜片的邊緣上燒結銀引線焊點，引線按照預定的敏感橋路布置和信號獲取方式將厚膜電阻連接在一起，在每個E型圓膜片與十字梁固定在一起之前，首先分別將每個膜片上的輸入輸出引線焊接在E型圓膜片的銀焊點內邊緣。外引線在傳感器上下E型圓膜片固定后焊接在下E型圓膜片的外邊緣提供給外接變送器。
權利要求
1.一種雙E型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器，包括法蘭盤固定底座(1)、下E型圓膜片(2)、慣性質量塊(3)、上E型圓膜片(4)、上膜片連接圓片(5)、十字梁(6)、外殼(7)、密封圈(8)底蓋板(9)、下膜片連接圓片(10)，其特征在于十字梁(6)對接在上膜片連接圓片(5)和下膜片連接圓片(10)的十字槽中并固定于其中間，上膜片連接圓片(5)的上表面與上E型圓膜片(4)連接，在上E型圓膜片(4)的周邊為均布慣性質量塊(3)，質量塊(3)在三維空間保持慣性從而產生慣性力并作用于彈性體；下膜片連接圓片(10)的下表面與下E型圓膜片(2)連接，下E型圓膜片(2)與傳感器底座(1)固定在一起；外殼(7)和底座(1)通過螺紋聯結在一起，它們之間的空腔充滿了油介質，密封圈(8)安裝在外殼(7)與底座(1)之間的連接部分，用于防止空腔內的介質溢出；所述的下E型圓膜片(2)、十字梁(6)、上E型圓膜片(4)的材料為97％的AL2O3燒結體陶瓷，均布慣性質量塊(3)為金屬銅合金材料，上膜片連接圓片(5)和下膜片連接圓片(10)的金屬圓片為鋁合金材料。
2.一種用于同時測量三維線加速度和三維角加速度信息的方法，其特征在于下E型圓膜片(2)、十字梁(6)、上E型圓膜片(4)上燒結有釕系厚膜力敏電阻，力敏電阻位置為上下雙E型圓膜片(4)、(2)敏感面內的厚膜力敏電阻通過不同的敏感橋路布置方式實現對六軸向加速度信息的獲取，并通過標定求出維間耦合關系，對六組橋路輸出解耦處理實現三軸向線加速度和三軸向角加速度信息獨立獲取；所有三軸向線加速度和角加速度定義以上E型圓膜片(4)敏感面中心定義，其中圓膜片軸線為Z向，相應X、Y方向符合卡笛生坐標右旋方向來定義；X、Y方向角加速度信息獲取敏感橋路采用在上E型圓膜片(4)平面內互相垂直布置，其厚膜力敏電阻布置方向與下E型圓膜片(2)相同，其中上E型圓膜片(4)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y用來實現對角加速度αx的測量；上E型圓膜片(4)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x用來實現對角加速度αy的測量；十字梁(6)上的四個厚膜電阻布置在十字梁平面內，并采用沿上下、左右對稱軸對稱布置，用來獲取角加速度αz的信息；下E型圓膜片(2)、和上E型圓膜片(4)的兩個敏感方向要求保持一致，X、Y方向線加速度信息獲取敏感橋路電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y，采用在下E型圓膜片(2)平面內互相垂直布置，Z方向線加速度信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下E型圓膜片(2)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下E型圓膜片(2)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x用來實現對線加速度ax的測量；下E型圓膜片(2)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y用來實現對線加速度ay的測量；下E型圓膜片(2)敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z用來實現對線加速度az的測量；其中上E型圓膜片(2)敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對線加速度az的冗余信息，用于傳感器校準；中間十字梁(6)結構上的四個敏感面都可以按照前述方式布置電阻，提供冗余角加速度αz信息，用于對角加速度αz的校準和補償，十字梁(6)最多可同時提供3路冗余信息。
3.根據權利要求書1或2所述的以十字梁(6)連接的雙E型圓膜結構或敏感橋路布置方式，其特征在于通過改變敏感元件位置或彈性體結構尺寸，可以獨立實現傳感器的各個方向輸出靈敏度調整和量程改變，以滿足不同量程和不同靈敏度要求的六維加速度傳感器和六維加速度裝置的實際需要；通過選擇金屬彈性體材料加工成上述結構，同樣可以構成本發明所表述的應變式六維加速度信息獲取的傳感器或裝置；選擇金屬彈性體時，十字梁(6)與雙E型圓膜片可以采用整體加工形式的一體化結構，通過改變十字梁(6)的高度、寬度和厚度，以及不同的上下E型圓膜片(4)、(2)幾何尺寸可以實現對傳感器的六個加速度分量的靈敏度進行獨立調控，在不影響檢測精度前提下，保證傳感器滿足不同應用場合的量程要求。十字梁(6)連接的雙E型膜這種立體結構可以將線加速度ax、ay測量與角加速度αx、αy測量分別置于兩個E型圓膜片上，安裝底座(1)方便與被測對象之間的機械連接，慣性質量塊(3)在被測對象運動過程中運動發生變化時帶來慣性力并作用于上下E型圓膜片(4)、(2)和十字梁(6)彈性體上。
全文摘要
本發明公開了一種用于同時獲取全加速度信息的六維加速度傳感器，即一種雙E型圓膜片十字梁結構的六軸加速度傳感器，可同時實現對三維空間坐標中三軸向線加速度和角加速度的測量。該傳感器利用厚膜技術，以陶瓷材料的圓膜片和十字梁作為敏感彈性基體，采用雙E型圓膜片和十字梁組成的結構，在陶瓷基體上燒結厚膜力敏電阻，通過特殊的組橋方式和解耦實現對三維線加速度和三維角加速度的同時測量，其主要應用于各種機器人靈巧手多軸指力和腕力傳感器的動態補償、動力學解耦和基于加速度反饋控制等場合。
文檔編號G01P15/18GK1396458SQ0213789
公開日2003年2月12日 申請日期2002年7月2日 優先權日2002年7月2日
發明者戈瑜, 吳仲城, 葛運建, 申飛, 馬軍, 汪小龍, 卞亦文, 錢朋安, 錢敏 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所