專利名稱：超薄六維力傳感器及其測量三維力和三維力矩信息的方法
技術領域：
本發明涉及仿人機器人技術，特別涉及機器人力傳感器。
背景技術：
隨著工業機器人和仿人機器人的大量應用和研發，六維力傳感器作為一種重要的 力覺傳感器，用來檢測工業機械手或仿人機器人與環境之間的接觸力和力矩的大小和 方向并及時反饋，以便機械手進行精密準確的具體操作和仿人機器人完成相應動作。 針對這種情況，國內外研制了多種六維力傳感器，雖然各種力傳感器功能齊全、 種類繁多，但是現有的六維力傳感器高度尺寸都比較大， 一般為40-80mm之間，這就 大大制約了傳感器在各個領域的應用。目前尺寸較小的傳感器有美國Assurance公司 的微小型六維力傳感器，其外徑為18mm高度為30mm。傳感器的高度是影響傳感器 應用的一個重要因素，當機械手實際操作時，作為腕力傳感器的六維力傳感器高度越 大，機械手后續部件所受到的力矩因為力臂的增大面成比例的增大，這將影響機械手 的額定工作量程及其最大工作空間；當仿人機器人仿人行走時，作為腳力傳感器的六 維力傳感器高度越大，不但影響其外觀形狀，安裝在機器人踝關節的電機所需提供的 力矩也相應成比例的增大。另外， 一般的六維力傳感器都存在不可消除的維間耦合， 這使得傳感器的精度大大降低。
發明內容
本發明的目的是針對目前國內外相關技術存在的問題和缺陷，提出一種超薄六 維力傳感器及其測量三維力和三維力矩信息的方法，高度方向尺寸能限制在15毫米 以內，并能應用于各種應用場合，同時獲取不同量程要求下的精確六維力信息，為相 應的應用設備準確順利完成任務提供高質量的力信息。傳感器高度尺寸小，結構簡單、 靈敏度高、維間耦合小、獲取的力信息精度高、可靠性好，動態性能優良。
本發明的技術方案是
一種超薄六維力傳感器，包括中間有通孔的傳力柱(l)，其特征在于傳力柱(l)外壁上連接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上連接有上內環筒 與上外環筒，構成上E型膜(4)，所述的上外環筒上分布有安裝螺孔作為加載環，所 述的上內環筒與上外環筒之間連接有間隔90°排布的薄矩形金屬片(21、 22、 23、 24); 所述的下E型膜片上連接有下內環筒與下外環筒，構成下E型膜(5)，所述的下外環 筒作為基座。
所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述的安裝螺孔與薄矩形金屬片(21、 22、 23、 24)位置錯開。
所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述傳力柱(1)壁厚尺寸應大于上E 型膜片、薄矩形金屬片(21、 22、 23、 24)厚度尺寸五倍以上。
所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述薄薄矩形金屬片(21、 22、 23、 24) 組成，各薄矩形金屬片尺寸完全一致，四片薄矩形片厚度尺寸小于徑向尺寸的1/10。
所述的超薄六維力傳感器，其特征在于其材料為硬鋁或不銹鋼，各部件之間為 一整體。
所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述的上E型膜片與下E型膜片，上內 環筒與下內環筒，上外環筒與下外環筒結構對稱，所述的薄矩形金屬片上端低于傳力 柱、上內環筒、上外環筒的上端面。
一種用于六維力傳感器同時測量三維力和三維力矩信息的方法，其特征在于在
傳力柱的外壁及上內環筒的內壁上分別有對應貼裝有間隔90°排布的應變片R5 R12，所述的位于同一平面上的薄矩形金屬片(21、 23)的兩側徑向面上分別貼裝有 應變片R1、 R2、 R3、 R4，在傳力柱的外壁及下內環筒的內壁上分別有對應貼裝有間隔 90° 、 45°排布的六對應變片R13 R24;應變片R1 R4、應變片R5 R8、應變片R9 Rll、應變片R13 R16、應變片R17 R20、應變片R21 R24分別構成六組全橋檢測 電路a、 b、 c、 d、 e、 f，分別輸出六維力信息中Mz、 Mx、 My、 Fx、 Fy、 Fz信號。
所述的用于六維力傳感器同時測量三維力和三維力矩信息的方法，其特征在于 所述的各應變片R1 R24的初始電阻值相等。
加載環上置有四個螺紋孔，用于六維力傳感器與外界載荷連接在一起，加載環通 過薄矩形金屬片與上E型膜連接，薄矩形金屬片組由上內環筒與上外環筒之間均勻分 布的四片薄矩形金屬片組成，基座用來對整個六維力傳感器固定。超薄六維力傳感器材料為硬鋁，整個超薄六維力傳感器為一個整體,各部件之間不需額外連接。傳力柱、 薄矩形金屬片的上表面與加載環的上表面在高度方向有一定的間隙。傳力柱中置有小 孔，便于貼在不同位置的應變片組成測量電路。加載環上置有的四個螺紋孔與薄矩形 金屬片組在圓周方向上錯開放置。
初始電阻值相等應變片R1 R24，組成六組測量電橋a, b， c， d， e， f并實現將力信 息轉換成為電壓信息，通過標定、解耦，可以對三維力和三維力矩信息同時獲取。
應變片R1、 R2、 R3、 R4與薄矩形金屬片組長度方向平行貼放；
應變片R5、 R6、 R7、 R8沿傳感器有坐標Y軸貼放；
應變片R9、 RIO、 Rll、 R12沿傳感器坐標軸X貼放；
應變片R13、 R14、 R15、 R16沿傳感器坐標軸X貼放；
應變片R17、 R18、 R19、 R20沿傳感器坐標軸Y貼放；
應變片R21、 R22、 R23、 R24沿傳感器坐標軸X成45度帖放；
應變片Rl與R2， R3與R4分別置于全橋檢測電路a相對應的橋臂上，應變片R5 與R6， R7與R8分別置于全橋檢測電路b相對應的橋臂上，應變片R9與R12， R10與Rll 分別置于全橋檢測電路c的相對應的橋臂上，應變片R13與R14， R15與R16分別置于 全橋檢測電路d的相對應的橋臂上,應變片R17與R18， R19與R20分別置于全橋檢測 電路e的相對應橋臂上，應變片R21與R22， R23與R24分別置于全橋檢測電路f的相 對應橋臂上；
六維力信息中Mz信號取自全橋檢測電路a，六維力信息中Mx信號取自全橋檢測 電路b，六維力信息中My信號取自全橋檢測電路c，六維力信息中Fx信號取自全橋 檢測電路d，六維力信息中Fy信號取自全橋檢測電路e，六維力信息中Fz信號取自 全橋檢測電路f。
有益效果現有技術的六維力傳感器高度尺寸都比較大， 一般為40-80mm之間， 在具體應用時，由于高度尺寸過大給應用場合造成不必要的額外負擔，大大制約了傳 感器在各個領域的應用。現有技術的六維力傳感器一般用同一個彈性元件來同時測量 六維力信息，造成耦合大很難達到高精度的力信息獲取。現有技術的六維力傳感器一 般為幾個部件通過連接件裝配而成，造成了傳感器的動態性能差。因此研制超薄的高 精度的動態性能好的六維力傳感器是符合各領域的需求的。本發明的超薄高精度六維力傳感器高度在15毫米以下，采用三個彈性部件來實現對力對電壓的轉換，并為一 個整體，并能應用于各種應用場合和量程下。
本發明的發明點是超薄高精度六維力傳感器是傳力柱連接的雙E型膜結構，在 上、下E型膜和薄矩形金屬片組上放置傳感器的檢測電路并組成相應的電橋，即用薄 矩形金屬片組和上、下E型膜三個彈性元件來實現三維力和三維力矩信息的同時測量。 其中薄矩形金屬片組用來測量Mz;上E型膜用來測量Mx，My;下E型膜用來測量 Fx， Fy， Fz，上E膜在Fx， Fy作用下不發生變形，避免了傳統傳感器無法解決Fx與My、 Fy與Mx之間的耦合。整個傳感器高度尺寸在15毫米以下。傳感器為一個整體，不需 要用連接件來進行連接，可以提高其動態性能。改變傳感器的徑向尺寸可以使傳感器 適應于各種量程的應用環境。
由此相對于現有技術本發明的有益效果是
本發明充分考慮到傳感器高度尺寸對傳感器的應用造成的影響，傳統傳感器無法 解決的耦合，各種應用場合對傳感器動態性能的要求，采用一體化的雙E型膜加薄矩 形金屬片組作為力敏元件實現對六維力的高精度的測量，且總體尺寸在15毫米以內。 本發明的超薄高精度六維力傳感器具有超薄、低耦合、高精度、動態性能好，并能適 應各種不同量程的場合。
圖1為本發明的傳感器結構示意圖。 圖2為傳感器彈性體上應變片的貼片示意圖。 圖3為傳感器信息獲取中應變片組橋的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施作進一步的詳細說明。
在圖1中，l是傳力柱、2是薄矩形金屬片組、3是加載環、4是上E型膜、5是 下E型膜、6是基座。
傳力柱1外壁上連接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上連 接有上內環筒與上外環筒，構成上E型膜4，上外環筒上分布有安裝螺孔作為加載環 3，所述的上內環筒與上外環筒之間連接有間隔90°排布的薄矩形金屬片21、 22、 23、 24;下E型膜片上連接有下內環筒與下外環筒，構成下E型膜5，所述的下外環筒作為基座6。
傳力柱l中開有小孔，便于各組電橋引線。薄矩形金屬片組2包括四片薄矩形金 屬片21、 22、 23、 24，在圓周方向間隔90°均勻分布，做為力敏元件的一部分，同 時還起著連接加載環3與上E型膜4的作用。加載環3上有四個標準連接用螺紋孔， 在圓周上均勻分布，并與薄矩形金屬片組2錯開。傳感器的力敏元件的結構是由上E 型膜4、下E型膜5與薄矩形金屬片組2構成的，上E型膜4用來反映Mx， My的變化， 下E型膜5用來反映Fx,Fy，Fz的變化，薄矩形金屬片2用來反映Mz的變化，基座6 用于整個傳感器與外界相連。當力或力矩作用在傳感器上時，力敏元件的相應部件會 發生彈性形變，粘貼在力敏元件上的應變片也會隨著力敏元件的變形發生形變，使應 變片的阻值發生變化，從而導致各組電橋的輸出電壓發生變化，通過標定和解耦將電 壓的變化與加在力敏元件上的力或者力矩大小建立聯系，使用時根據各組電橋輸出電 壓的變化量來確定加在傳感器上的力的大小。
圖2為傳感器彈性體上應變片的貼片示意圖。其中附圖2左圖為傳感器的俯視圖， 從圖上可以看出上E型膜4和薄矩形金屬片組2上的貼片方式，在薄矩形金屬片21 和23上靠近加載環各對稱貼有2片初始電阻值相等的應變片Rl、 R2和R3、 R4組成a 組測量電橋用于檢測Mz，沿薄矩形金屬片41長度方向平行貼放；在上E型膜上粘貼 有8片初始值相等的應變片R5 R12，其中R5 R8沿Y軸方向粘貼構成b測量電橋用 于檢測Mx，其中R9 R12沿X軸方向粘貼構成c測量電橋用于檢測My。其中附圖2 右圖為傳感器的仰視圖，從圖上可以看出下E型膜5上的貼片方式，在下E型膜上粘 貼有12片初始值相等的應變片R13 R24，其中R13 R16沿X軸方向粘貼構成d測量 電橋用于檢測Fx;其中R17 R20沿Y軸方向粘貼構成e測量電橋用于檢測Fy;其中 R21 R24與Y軸成45度方向粘貼構成f測量電橋用于檢測Fz。其中，應變片R5、 R7、 R9、 Rll貼于上E型膜3的外圓周，R6、 R8、 RIO、 R12貼于上E型膜3的內圓周；應 變片R13、 R15、 R17、 R19、 R21、 R23貼于下E型膜5的外圓周，R14、 R16、 R18、 R20、 R22、 R24貼于下E型膜5的內圓周。
圖3為傳感器信息獲取中應變片組橋的示意圖。a、 b、 c、 d、 e、 f各組都分別 構成全橋檢測電路，其中a組的Rl與R4，R3與R2分別置于相對應橋臂上，電橋的輸 出為Alk，與作用于傳感器的Mz大小成正比；b組的R5與R7， R6與R8分別置于相對應橋臂上，電橋的輸出為A lk，與作用于傳感器的Mx大小成正比；C組的R9與Rll， R10 與R12分別置于相對應橋臂上，電橋的輸出為AUMy,與作用于傳感器的My大小成正 比；d組的R13與R15， R14與R16分別置于相對應橋臂上，電橋的輸出為Alk，與作 用于傳感器的Fx大小成正比；e組的R17與R19， R18與R20分別置于相對應橋臂上， 電橋的輸出為AUFy，與作用于傳感器的Fy大小成正比；f組的R21與R23， R22與R24 分別置于相對應橋臂上，電橋的輸出為Alk，與作用于傳感器的Fz大小成正比。
應用例本發明采用應變電測技術，用應變片粘貼工藝將應變片粘貼于傳感器 力敏元件的相應位置，粘貼好的應變片組成6組電橋，每組電橋獲取六維力信息中的 一維。根據具體的應用場合的量程要求來確定上、下E型膜和薄矩形金屬片的尺寸， 包括E型膜的內徑、外徑、厚度，薄矩形金屬片的厚度、寬度，長度。
應用例1 :為獲取裝配時六維裝配力的大小，在機械手上使用超薄高精度力維力 傳感器時，首先根據機械手的外形尺寸確定傳感器的總體徑向外形尺寸如120X120mm 的正方形和安裝固定方式如兩端外連接，再根據具體的應用要求確定量程大小如力量 程80N，力矩量程24Nm。根據量程大小來確定各力敏單元的尺寸薄矩形金屬片10X1 X 5mm，上下E型膜膜厚0 . 5mm,總體高度尺寸為14mm。
應用例2 :為獲取機器人行走時足部所受六維力的大小，在機器人腳踝上使用超 薄高精度力維力傳感器時，首先根據腳踝的外形尺寸確定傳感器的總體徑向外形尺寸 如①60mm，安裝固定方式如一端螺紋外連接， 一端螺紋內連接，再根據具體的應用要 求確定量程大小如，力量程2000N，力矩量程80Nm，根據量程大小來確定各力敏單元 的尺寸薄矩形金屬片25X2. 5X5mm，上下E型膜膜厚1. 5min，總體高度尺寸為15mm。
權利要求
1、一種超薄六維力傳感器，包括中間有通孔的傳力柱(1)，其特征在于傳力柱(1)外壁上連接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上連接有上內環筒與上外環筒，構成上E型膜(4)，所述的上外環筒上分布有安裝螺孔作為加載環，所述的上內環筒與上外環筒之間連接有間隔90°排布的薄矩形金屬片(21、22、23、24)；所述的下E型膜片上連接有下內環筒與下外環筒，構成下E型膜(5)，所述的下外環筒作為基座。
2、 根據權利要求1所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述的安裝螺孔與 薄矩形金屬片(21、 22、 23、 24)位置錯開。
3、 根據權利要求1所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述傳力柱(1)壁 厚尺寸應大于上E型膜片、薄矩形金屬片(21、 22、 23、 24)厚度尺寸五倍以上。
4、 根據權利要求1所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述薄薄矩形金屬 片(21、 22、 23、 24)組成，各薄矩形金屬片尺寸完全一致，四片薄矩形片厚度尺寸小 于徑向尺寸的1/10。
5、 根據權利要求1所述的超薄六維力傳感器，其特征在于其材料為硬鋁或不 銹鋼，各部件之間為一整體。
6、 根據權利要求1所述的超薄六維力傳感器，其特征在于所述的上E型膜片 與下E型膜片，上內環筒與下內環筒，上外環筒與下外環筒結構對稱，所述的薄矩形 金屬片上端低于傳力柱、上內環筒、上外環筒的上端面。
7、 一種用于六維力傳感器同時測量三維力和三維力矩信息的方法，其特征在于 在傳力柱的外壁及上內環筒的內壁上分別有對應貼裝有間隔90°排布的應變片R5 R12，所述的位于同一平面上的薄矩形金屬片(21、 23)的兩側徑向面上分別貼裝有 應變片R1、 R2、 R3、 R4，在傳力柱的外壁及下內環筒的內壁上分別有對應貼裝有間隔 90° 、 45°排布的六對應變片R13 R24;應變片R1 R4、應變片R5 R8、應變片R9 Rll、應變片R13 R16、應變片R17 R20、應變片R21 R24分別構成六組全橋檢測 電路a、 b、 c、 d、 e、 f，分別輸出六維力信息中Mz、 Mx、 My、 Fx、 Fy、 Fz信號。
8、 根據權利要求7所述的用于六維力傳感器同時測量三維力和三維力矩信息的 方法，其特征在于所述的各應變片R1 R24的初始電阻值相等。
全文摘要
本發明公開了一種超薄六維力傳感器及其測量三維力和三維力矩信息的方法，包括傳力柱(1)外壁上連接有平行的上E型膜片，下E型膜片，上E型膜片上連接有上內環筒與上外環筒，構成上E型膜(4)，上外環筒上分布有安裝螺孔作為加載環，上內環筒與上外環筒之間連接有間隔90°排布的薄矩形金屬片；下E型膜片上連接有下內環筒與下外環筒，構成下E型膜(5)。傳感器采用雙E型膜片加四片薄矩形金屬片為其力敏元件，在力敏元件上適當位置粘貼24片應變片，并將其組成六組惠斯通電橋實現對六維力的同時測量，同時獲取各種具體的應用場合下的六維力信息。本發明維間耦合小、精度高、動態性能好，能自動消除溫度的影響，應用于各種不同應用場合。
文檔編號G01L1/22GK101419102SQ20081024374
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月25日 優先權日2008年11月25日
發明者孫玉蘋, 宋全軍, 張廣斌, 瑜 戈, 曹會彬, 梁橋康, 王以俊, 葛運建 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院