專利名稱：微型全平面六維力、力矩傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，特別是一種能夠感知力的傳感器。
背景技術：
智能機器人的首要標志是具有感知功能，而力的感覺是機器人在操作過程中一個重要的信息。它用來檢測機器人操作手與外部環境相互接觸或抓取工件時所承受的力和力矩，為機器人的力控制和柔順性控制提供力感信息，從而完成比較復雜和精細的作業。二十世紀七十年代各國紛紛開始多維力的研究工作，目前比較大的公司有Load、JR3和API等生產六維力/力矩傳感器，傳感器的結構形式也有所不同，大部分體積比較大并基于十字梁結構，生產小型傳感器的API公司沒有公布其傳感器的結構。國內方面，上世紀八十年代末各個研究機構和高等院校也開始了這項研究工作，比較有代表性的是中國科學院合肥智能機械研究所和哈爾濱工業大學等。用于機器人手腕的腕力傳感器體積較大，因此從貼應變片到微處理電路可用空間都比較寬松。隨著微小型機器人、仿人機器人靈巧手和機器人用于醫療的最小陣疼手術的出現，對多維力/力矩傳感器的微型化提出了更高的要求，適合為微型多維力傳感器的彈性體很少，能夠留有空間將處理電路也集成傳感器里的結構更是沒有。因此，微型力/力矩傳感器的研究得到了國際上的高度重視。由于傳感器體積很小，所以對傳感器彈性體的優化設計、信號調理電路和模數轉換電路、應變片的選擇和粘貼、六維信號的解耦等都提出了嚴峻的挑戰。目前，日本、美國有類似微型傳感器出現，但造價昂貴。中科院合肥智能機械研究所研究出3維微型力傳感器、燕山大學也利用并聯機構的原理研究出6維力/力矩傳感器。多維力傳感器彈性體結構一般分為兩大類，即直接輸出型(無耦合型)和間接輸出型(耦合型)。直接輸出型多維力傳感器輸出力向量的多個分量直接由應變橋或根據結構常數通過簡單的計算獲取。設計原理是在力學分析的基礎上，設計出無耦合作用的彈性體。其典型代表是由美國IBM公司1975年設計的一種積木式結構。該彈性體由八個彈性元和8個連接塊組合而成。每個彈性元上粘貼4片應變片，并連接成一個應變橋。8個應變橋提供8路檢測信號，然后根據這8路檢測信號和有關結構常數計算出6個獨立力分量。而耦合式彈性體的結構比較多，如并聯機構的6維力/力矩傳感器的，各個力的量需要根據每個應變柱上的應變根據運動學求解得到，從精度上要低。
發明內容
本發明提供一種微型全平面六維力、力矩傳感器，它能夠實現同時對任意空間三維力矩Mx、My、Mz和三維力Fx、Fy、Fz的測量，它是平面型結構，可以適用于微機械加工，它是體積小精度高的傳感器，可用于第二代仿人機器人靈巧手的指尖，提高整個機器人系統的智能程度。本發明的微型全平面六維力、力矩傳感器是扁平盤形結構，它由中心體1、圍繞在中心體1四周的三個互呈60度角的外圈梁2、呈徑向設置在外圈梁2內的三個互呈120度角的內圈梁3、以及應變片4組成，三個外圈梁2分別由兩個薄片形的應變梁組成，三個內圈梁3的內端與中心體1相連接，三個內圈梁3的外端分別連接在兩個外圈梁2之間的交接處，中心體1、外圈梁2和內圈梁3連接成一體結構，在每個外圈梁2和內圈梁3上分別設有應變片4。三個外圈梁2分別是薄壁應變梁L21與L22、L31與L32、L41與L42；三個內圈梁3分別是薄壁應變梁L5、L6、L7，在應變梁L21、L22、L31、L32、L41、L42、L5、L6、L7上分別產生對應應變ε21、ε22、ε31、ε32、ε41、ε42、ε5、ε6、ε7。在以上梁上分別貼有應變片。中心體1上的三個內安裝孔8用于和外部(可以是基座)相連，外圈梁2上的三個內安裝孔11用于和外部(可以是施加力部分)相連。當通過孔11來傳遞外力，根據力和力矩方向的不同，應變梁L21、L22、L31、L32、L41、L42、L5、L6、L7上分別產生對應應變ε21、ε22、ε31、ε32、ε41、ε42、ε5、ε6、ε7也有所不同。當Fz力作用時，三個內應變梁有較大的應變，而應變梁L21、L22、L31、L32、L41、L42、L5、L6、L7應變較小；當Mz力距作用時，只有外圈梁2有微應變輸出。當整個傳感器受外力作用時，部分應變梁產生變形，可根據變化值測量Fx、Fy、Mx和My。傳感器的輸出分量有耦合，通過解耦矩陣可以進行解耦。測量量與應變關系見下面公式，結構見圖1。
Fx=k12(ϵ6,ϵ7)]]>Fy=k2(ϵ5,3ϵ62,3ϵ72)]]>Fz＝k3[ε5，ε6，ε7，(ε42+ε21)，(ε22+ε31)，(ε32+ε41)]Mx＝k4[ε5，ε6，ε7，(ε42+ε21)，ε22，ε41]My=k5[ϵ5,ϵ62,ϵ72,(ϵ42+ϵ21),(ϵ22+ϵ31),(ϵ32+ϵ41)]]]>Mz＝k6(ε5，ε6，ε7)
本發明創造首先為實現多維力/力矩傳感器的微加工制造提供可能，而采用微加工工藝制造的傳感器可以減小傳感器尺寸，避免手工貼片帶來的傳感器精度誤差及不穩定性。其次，本發明創造的微型多維力/力矩傳感器可以應用在機器人領域，增加機器人整體系統的感知功能，為機器人手的手指操作擬人化提供可能。再者，本發明創造可以應用到微操作如細胞操作等精細作業中，也可以應用于醫療上的微痛手術中。
圖1是本發明的結構示意圖。
具體實施例方式本實施方式的微型全平面六維力、力矩傳感器是扁平盤形結構，它由中心體1、圍繞在中心體1四周的三個互呈60度角的外圈梁2、呈徑向設置在外圈梁2內的三個互呈120度角的內圈梁3、以及應變片4組成，三個外圈梁2分別由兩個薄片形的應變梁組成，三個內圈梁3的內端與中心體1相連接，三個內圈梁3的外端分別連接在兩個外圈梁2之間的交接處，中心體1、外圈梁2和內圈梁3連接成一體結構，在每個外圈梁2和內圈梁3上分別設有應變片4。三個外圈梁2分別由三對上薄壁應變梁、下薄壁應變梁L21與L22、L31與L32、L41與L42組成，每一組上薄壁應變梁和下薄壁應變梁之間通過豎向設置的立筋5連成一體結構。在中心體1上有三個內安裝孔8，在每個外圈梁2上各有一個內安裝孔11。本實施方式根據此彈性體結構研制機器人手指尖傳感器，底部直徑可做成19mm，外圈梁2部分可設計厚度為0.35mm，梁的寬度為3mm，長度為40mm，內圈梁3部分可設計厚度為0.2mm，梁的寬度為1.6mm，長度為21mm，基座高度為3mm。可測量力為3kg，力矩為0.2N·M。
權利要求
1.微型全平面六維力、力矩傳感器，其特征在于它是扁平盤形結構，它由中心體(1)、圍繞在中心體(1)四周的三個互呈60度角的外圈梁(2)、呈徑向設置在外圈梁(2)內的三個互呈120度角的內圈梁(3)、以及應變片(4)組成，三個外圈梁(2)分別由兩個薄片形的應變梁組成，三個內圈梁(3)的內端與中心體(1)相連接，三個內圈梁(3)的外端分別連接在兩個外圈梁(2)之間的交接處，中心體(1)、外圈梁(2)和內圈梁(3)連接成一體結構，在每個外圈梁(2)和內圈梁(3)上分別設有應變片(4)。
2.根據權利要求1所述的微型全平面六維力、力矩傳感器，其特征在于三個外圈梁(2)分別由三對上薄壁應變梁、下薄壁應變梁(L21)與(L22)、(L31)與(L32)、(L41)與(L42)組成，每一組上薄壁應變梁和下薄壁應變梁之間通過豎向設置的立筋(5)連成一體結構。
3.根據權利要求1所述的微型全平面六維力、力矩傳感器，其特征在于在中心體(1)上有三個內安裝孔(8)。
4.根據權利要求1所述的微型全平面六維力、力矩傳感器，其特征在于在每個外圈梁(2)上各有一個內安裝孔(11)。
全文摘要
微型全平面六維力、力矩傳感器，它涉及一種能夠感知力的傳感器。它是扁平盤形結構，它由中心體、圍繞在中心體四周的三個互呈60度角的外圈梁、呈徑向設置在外圈梁內的三個互呈120度角的內圈梁、以及應變片組成，三個外圈梁分別由兩個薄片形的應變梁組成，三個內圈梁的內端與中心體相連接，三個內圈梁的外端分別連接在兩個外圈梁之間的交接處，中心體、外圈梁和內圈梁連接成一體結構，在每個外圈梁和內圈梁上分別設有應變片。它能夠實現同時對任意空間三維力矩Mx、My、Mz和三維力Fx、Fy、Fz的測量，適用于微機械加工，它是體積小精度高的傳感器，可用于第二代仿人機器人靈巧手的指尖，提高整個機器人系統的智能程度。
文檔編號G01L5/00GK1527040SQ0313262
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月19日 優先權日2003年9月19日
發明者劉宏, 高曉輝, 姜力, 蔡鶴皋, 劉 宏 申請人:哈爾濱工業大學