一種二維夾持力傳感器的制作方法

本發明涉及一種傳感器，具體來說，涉及一種二維夾持力傳感器。

背景技術：

抓取柔軟或酥脆物體，是對靈巧機械手抓取性能的一個挑戰。為了能讓機械手像人手一樣根據手的觸覺信息，適當的調整抓取力，實現無滑動的穩定抓取過程，就需要能實時掌握抓取時的觸覺信息和滑覺信息。能同時感知滑覺和觸覺信息，采用的傳感器結構簡單，抗干擾力強，而且低成本是亟待解決的問題。

目前夾持器大多通過電機電流間接計算夾持力；也有在夾持器與物體間運用PVDF或力敏橡膠等材料制作的滑覺傳感器；在夾持器與物體接觸點安裝壓力傳感器直接檢測夾持器與物體接觸壓力。也有采用滑覺傳感器加壓力傳感器結合的方法對物體進行滑動預測。最佳的抓取是既要感知觸覺又要感知滑覺。前人采用多傳感器結合方法，多傳感器結構復雜，抗干擾能力弱，制造成本高。

因此，一款既能檢測滑覺又能檢測觸覺的高靈敏度傳感器非常有必要運用在機械手末端。

技術實現要素：

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種二維夾持力傳感器，結構簡單，制作簡單，低成本，既能檢測夾持力和切向力，又能檢測滑覺。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明的技術方案是這樣的：

一種二維夾持力傳感器，其特征在于，包括前環1111和后環2222；前環1111有一個左耳環111和一個右耳環222，在左耳環111的第一側面1和右耳環222的第二側面2分別貼有一個第一應變片11；后環2222也有一個左耳環333和一個右耳環444，在左耳環333的第三側面3和右耳環444的第四側面4分別貼有一個第三應變片33，在左耳環333的第五側面5和右耳環444的第六側面6分別貼有一個第四應變片44。

前環1111的左耳環111和后環2222的左耳環333之間有一個第一通槽101，在前環1111的右耳環222和后環2222的右耳環444之間也有一個相同的第二通槽102；傳感器左右對稱，左邊有一個第一通孔201，右邊有一個第二通孔202，第一通孔201和第二通孔202)之間有一個凸槽301，第一通孔201的左內壁和第二通孔202的右內壁分別貼有第二應變片22。

有益效果：本發明根據八角環受力變形的特點，采用兩個相互平行的延伸八角環結構實現了夾持力和切向力以及滑覺的測量。前環與后環之間有一通槽，減小了八角環工作寬度，增加了傳感器的靈敏度。傳感器中間的凸槽，對傳感器有過載保護的作用。傳感器結構簡單，制作工藝簡單，加工基本是開孔開槽，體積小，適合安裝在機械手夾持器末端，適合大范圍推廣。本發明采用兩個全橋惠斯通電橋采集信號，增加了傳感器的靈敏度，為滑覺信號采集提供了好的條件。八角環本身具有結構解耦的特點，減小了兩向力之間的影響和耦合性。本發明前環檢測夾持力，后環檢測切向力和滑覺，傳感器具有模塊化的特點，其測量電路可獨立調試，簡化了工作量。

附圖說明

圖1是本發明二維夾持力傳感器結構示意圖

圖中有：前環1111、后環2222、前環左耳環111、前環右耳環222、后環左耳環333、后環右耳環444、第一側面1、第二側面2、第三側面3、第四側面4、第五側面5、第六側面6、第一應變片11、第二應變片22、第三應變片33、第四應變片44，第一通槽101、第二通槽102、第一通孔201、第二通孔202、凸槽301。

圖2本發明二維夾持力傳感器受力分析圖

圖3本發明在夾持器上的安裝示意圖

圖中有：夾持器1、爪子2、二維夾持力傳感器3。

具體實施方式

下面結合附圖對發明作進一步詳細描述。

參照圖1，一種二維夾持力傳感器，包括前環1111和后環2222；前環1111有一個左耳環111和一個右耳環222，在左耳環111的第一側面1和右耳環222的第二側面2分別貼有一個第一應變片11；后環2222也有一個左耳環333和一個右耳環444，在左耳環333的第三側面3和右耳環444的第四側面4分別貼有一個第三應變片33，在左耳環333的第五側面5和右耳環444的第六側面6分別貼有一個第四應變片44。前環1111的左耳環111和后環2222的左耳環333之間有一個第一通槽101，在前環1111的右耳環222和后環2222的右耳環444之間也有一個相同的第二通槽102；傳感器左右對稱，左邊有一個第一通孔201，右邊有一個第二通孔202，第一通孔201和第二通孔202之間有一個凸槽301，第一通孔201的左內壁和第二通孔202的右內壁分別貼有一個第二應變片22。

該結構的二維夾持力傳感器工作原理為：

使用時，參照圖3，將傳感器的底面安裝在爪子2，爪子2安裝在夾持器1上。當夾持器1工作時，帶動爪子2移動，傳感器3受力變形，將引起應變片阻值變化，變化的阻值大小表征了受力大小。具體講，參照圖1，受力坐標如圖所示。X、Y兩個坐標軸的正方向，同時對應作用力F_x、F_y的正方向。F_x對應切向力和滑覺，F_y對應夾持力。前環1111和后環2222組成的八角環底端固定，頂端受到夾持力F_y和物體與傳感器摩擦產生的切向力F_x。參照圖2，由于八角環的結構對稱，結構類似圓環，根據圓環理論計算，則任意截面彎矩為：

則環表面應變為：

式中t為八角環厚度，r為八角環平均直徑，E為材料彈性模量。可見當θ＝90°時，F_x產生的彎矩為0，環表面應變僅與F_y有關，當θ＝39.4°或者θ＝140.6°時，F_y產生的彎矩為0，環表面應變僅與F_x有關。

關于延伸八角環的應力分析，由于早期傳統的設計方法是采用彈性力學的方法，但是建立的力學模型過于簡化，計算精度偏低，不能滿足實際情況。為了減小兩向力耦合誤差，本發明利用Ansys workbench進行有限元分析，準確找到應變節點，找到應變片的最佳貼片位置。最終確定為：在前環1111的左耳環111的第一側面1和右耳環222的第二側面2的θ＝36.6°處分別貼一個第一應變片11；在前環111的第一通孔201和第二通孔202的θ＝133.6°處分別貼一個第二應變片22；在后環2222的左耳環333的第三側面3和后環222的右耳環第四側面4的θ＝96.6°處分別貼一個第三應變片33；在后環2222的左耳環的第五側面5和后環222的右耳環的第六側面6的θ＝97.6°處分別貼一個第四應變片44。

八角環表面的應力應變將使第一應變片11和第二應變片22電阻值改變，打破電橋平衡，轉化成電路輸出，通過標定可實現對夾持力F_y的測量；同理第三應變片33和第四應變片44能測量切向力F_x及滑覺。