[发明专利]一种机械解耦型六维力和力矩传感器

说明书

本发明涉及一种机械解耦型六维力和力矩传感器，包括固定台、中心加载台、四个弹性支链和粘贴其上的应变片。四个弹性支链均布设在中心加载台周边，每个弹性支链包括弹性梁体、圆形板和若干浮动梁体，圆形板与弹性梁体垂直连接，若干浮动梁体一端并联连接于圆形板，另一端固定连接在中心加载台上，弹性梁体四个侧面用于粘贴应变片以组成六组全桥电路，每组用于感测一维力或力矩。本发明可从结构上实现力和力矩解耦及有效解决力和力矩测量输出信号间的耦合串扰问题，便于贴片组桥和降低信号处理系统及解耦算法的复杂度，提高传感器测量灵敏度，适用于机器人及工业场合对多维度力和力矩的快速感知与测量。

技术领域

本发明涉及一种六维力和力矩传感器，尤其涉及一种机械解耦型六维力和力矩传感器。

背景技术

六维力和力矩传感器能够同时检测三维空间三个正交力和三个正交力矩的全部信息，随着自动化、智能化水平以及机器人技术的快速发展，已经广泛应用于航空航天、机器人、汽车制造、工业生产和医疗等各大领域，对于满足各行业工程测力需求而言有着重要作用。

六维力和力矩传感器设计的关键技术难点是其弹性体的结构设计，作为传感器感知外部力载荷和应变信息传输的重要媒介，其结构设计要同时兼顾考虑传感器各项静动态性能，包括线性度、灵敏度、固有频率、解耦性能等，以及弹性体加工的难易程度和制造成本。

现有的六维力和力矩传感器弹性体的根据其结构型式可大致归结为两类：一类是由整块材料经减材制造加工而成的整体式弹性体结构，比较有代表性的Maltese十字梁结构，如中国专利CN108918013A，该类弹性体具有测量精度和线性度高、迟滞小、无摩擦间隙、结构紧凑及无需装配等优点，缺点是组桥困难，存在维间耦合过大及贴片位置难以确定等问题；另一类是由多测量分支经并联组合而成的并联装配式弹性体结构，如中国专利CN106918418B，将十字梁端部通过转动滑动副安装在外部的外壳上，形成组合结构，该类弹性体具有承载能力大贴片位置确定力映射解析易于表达等优点；随着不断的使用后，转动滑动副的安装结构会存在一定磨损间隙和松动，就会存在零点漂移重复定位性差需要反复标定等问题；另外对四个转动滑动副的加工和装配的一致性要求较高，生产难度大，不易实现；

针对现有技术的不足，急需开发出结构紧凑、成本低、能一体成形制造，且具有较高线性度、测量灵敏度和极低维间耦合等优点的六维力和力矩传感器，已适应和满足工业自动化领域对高频高速测力传感器的应用需求。

发明内容

本发明的技术方案：一种机械解耦型六维力和力矩传感器，该传感器包括弹性结构体和应变片组；

所述弹性结构体包括位于外圈的固定台、与固定台同轴线布置的圆筒形的加载台、连接在固定台和加载台之间的若干个沿加载台圆周均布的相同弹性支链，固定台和加载台在厚度方向同中心面布置，弹性支链长度方向的中心线布置在该中心面上；

每个弹性支链以加载台竖向轴线为中心沿径向呈辐条状布置，弹性支链包括横截面为矩形的弹性梁体、圆形板体和若干个浮动梁体，弹性梁体里端与加载台外侧圆柱面固定连接，圆形板体同轴心地连接在弹性梁体外端，若干个浮动梁体呈辐条状均布在圆形板体周围，每个浮动梁体沿圆形板体的直径方向布置；在固定台上与弹性梁体对应位置设有横向贯穿固定台的圆孔，圆孔与圆形板体同轴线布置，浮动梁体的两端固定连接在圆孔内圆柱面和圆形板体的外圆柱面之间。

优选的，所述固定台、加载台、以及弹性支链的弹性梁体、圆形板体、浮动梁体均为一体成形结构。

优选的，加载台上设有沿圆周均布并贯穿上下端面的安装通孔，该安装通孔位于加载台内外圆柱侧面的中间位置，加载台外圆柱面设有同弹性支链数量相同的外缘凸台，外缘凸台和弹性梁体内端固定连接，且外缘凸台前端面与弹性梁体长度方向的中心线垂直。

优选的，弹性梁体为实心结构，沿弹性梁体长度方向截面形状保持不变；所有弹性梁体长度方向的中心线位于加载台厚度方向同中心面上，并相交于加载台中心轴线上。