[发明专利]多轴力传感器

说明书

本发明的实施方式提供了用于力传感器的结构以及使用这种结构的力传感器，其结构紧凑且易于制造，例如通过3D打印。特别地，所述结构包括一对堆叠的环形传感器元件，所述环形传感器元件由上环元件和下环元件形成，所述上环元件和下环元件通过弹性安装的连接杆在围绕其圆周的点处连接在一起。连接杆可以在与环相同的平面中延伸，在这种情况下，对围绕环的轴线的扭矩的灵敏度大大降低，使得有效地获得五轴传感器；或者连接杆可以在每个传感器元件的上环和下环之间倾斜地延伸，使得它们在环的轴线方向上具有方向分量(每个元件的环同轴地堆叠)。在该第二种情况下，围绕环轴线施加扭矩导致倾斜连接杆在轴向方向上增大或减小它们的方向分量，从而提供对围绕轴线的扭矩的灵敏度，并提供紧凑的六轴传感器。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种多轴力传感器，尤其涉及一种能够以至少五个自由度(DoF)提供力感测的传感器。

背景技术

测量多个自由度(DoF)的多轴力传感器已经是已知的，但是通常采用复杂且昂贵的形式。在三维笛卡尔坐标空间中，可以测量多达六个自由度，即，x方向、y方向和z方向中的每个方向上的线性力F(即Fx、Fy和Fz)，并且还有围绕x轴、y轴和z轴中的每个轴的转动力矩M(即Mx、My和Mz)。为了预先测量所有六个自由度，必须将多个2DoF或3DoF传感器组合在一起，通常不得不过多地设置传感器的数量，使得所得到的传感器的总成本很高。

例如，匈牙利布达佩斯的Optoforce提供了一种三轴力传感器，其使用一个LED和四个光电二极管来测量三个力和扭矩分量(两个力矩Mx和My以及一个轴向力Fz)。为了测量6轴力/扭矩分量(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，目前正在组合三个或四个单位的三轴力/扭矩传感器。因此，六轴传感器的整体尺寸比领先的可用商用化六轴力/扭矩传感器(ATI工业自动化：F/T传感器Nano17(应变仪技术)，Φ17x14.5mm³)更大(50.0x50.0x25.0mm³)。尽管Optoforce传感器的品牌名称为“三轴力传感器”，但它无法测量三轴纯力分量(Fx、Fy、Fz)，而只能测量力和力矩。只有在半球面上的顶部中心周围施加外力时，才能精确地测量三轴力分量。

作为另一个例子，日本的Minebea有限公司提供了用于测量x方向和y方向位移的6轴力传感器。该6轴传感器包括三组布置在120°旋转对称位置的3轴位移测量仪器。每个3轴传感器包括：光源，其为红外高亮LED(Stanley Electric公司的产品，型号BN-401)，具有1.0mm厚的直径为0.6mm的针孔；以及光传感器，其具有正方形形状的硅PIN光电二极管，该光电二极管具有分成象限的2.5mm侧面(Moririka公司的产品，型号MI-33H4D)。从光源发出的光在通过针孔时漫射，然后光学传感器单元不仅可以在x方向和y方向上测量微小位移，而且可以在z方向上测量微小位移。3轴力传感器利用这种效果，并且将三个以120度间隔布置在圆上的三轴力传感器组合可以测量6轴力/扭矩分量。然而，为了测量六个轴，同样需要两个以上的三轴单元(在这种情况下为三个三轴单元)。

鉴于上述情况，仍然需要一种能够测量大于3个自由度的低成本多轴传感器。

发明内容

本发明的实施方式提供了用于力传感器的结构以及使用这种结构的力传感器，其结构紧凑且易于制造，例如通过3D打印。特别地，所述结构包括一对堆叠的环形传感器元件，所述环形传感器元件又由上环元件和下环元件形成，所述上环元件和下环元件通过弹性安装的连接杆在围绕其圆周的点处连接在一起。连接杆可以在与环相同的平面中延伸，在这种情况下，对围绕环的轴线的扭矩的灵敏度大大降低，使得有效地获得五轴传感器；或者连接杆可以在每个传感器元件的上环和下环之间倾斜地延伸，使得它们在环的轴线方向上具有方向分量(每个元件的环同轴地堆叠)。在该第二种情况下，围绕环轴线施加扭矩导致倾斜连接杆在轴向方向上增大或减小它们的方向分量，从而提供对围绕轴线的扭矩的灵敏度，并提供紧凑的六轴传感器。

鉴于上述情况，根据第一方面，提供了一种用于力传感器的弹性结构，该弹性结构包括：