專利名稱：框架式解耦六分量傳感器及使用方法
技術領域：
本發明屬于工業機器人領域，特別涉及一種六分量傳感器。
技術背景自從20世紀70年代以來，隨著機器人關節用六維力傳感器成為國內外學者 研究的熱點課題，發明了多種結構形式的應變式六維力傳感器，不斷地推動了力 傳感器的發展，并在風洞測力、采礦業等領域廣泛應用。迄今為止，國內、外學 者提出了多種結構形式的六維力傳感器結構，如美國人提出的三根垂直筋作為變 形元件的整體六維力傳感器，斯坦福研究所設計的簡形六維力傳感器，德國設計 了雙環行六維力傳感器，比利時以色列同時研制出一種四垂直筋結構六維力傳感 器，以及光電式六維力傳感器和雙十字交叉式六維力傳感器，十字結構六維力傳 感器，雙頭形六維力傳感器，三維交叉結構梁六維力傳感器等。在國內，華中理 工大學設計了一種非徑向三梁結構六維力傳感器，東南大學研究了一種新型車輪 六維力傳感器，哈爾濱工業大學設計了一種八垂直筋結構六維力傳感器，中科院 合肥智能所開發了十字結構六維力傳感器。以上的傳感器或多或少的存在結構復 雜、干擾大、靈敏度低、剛度小等缺點，并普遍存在剛度與靈敏度矛盾難以兼顧。發明內容本發明的目的在于提供一種整體框架式解耦六分量傳感器及使用方法。該傳 感器能夠解耦，并將輸出信號增大。一種框架式解耦六分量傳感器，其特征在于包括固定平臺和浮動平臺，其 中浮動平臺左右兩端各設有橫向梁，并分別通過一對縱向梁與固定平臺相連，組 成T形梁；固定平臺前后兩側也各設有橫向梁，并分別通過一對縱向梁與浮動 平臺相連，組成倒置T形梁。上述的框架式解耦六分量傳感器的使用方法，其特征在于測量X分量時，通過貼于前后兩根縱向梁下方的根部左右兩側的一共四片應變片組成橋路；測量Y分量時，通過貼于左右兩根縱向梁下方的根部前后兩側的一共四片應 變片組成橋路；測量Mz分量時，通過貼于前后兩根縱向梁下方的根部左右兩側的一共四片應變片組成橋路；測量My分量時，通過貼于固定平臺的前后兩根橫向梁根部的一共四片應變 片組成橋路；測量Mx分量時，通過貼于浮動平臺的左右兩根橫向梁根部的一共四片應變 片組成橋路；測量Z分量時，通過貼于固定平臺的前后兩根橫向梁根部的二片應變片及貼 于浮動平臺的左右兩根橫向梁根部的二片應變片組成橋路；其中定義自后向前為X正方向，自左向右為Y正方向，自下向上為Z正方向。 本發明具有如下優點1、 結構簡單傳感器由上、下平臺通過四對T形梁連接為整體，結構簡單、緊湊，易于貼 片，具有對稱性好，便于機械加工和微型化，降低了成本。2、 應變變形比大倒置T形梁和縱向梁的單軸柔性鉸充分利用材料拉壓強度大于彎曲強度的 優點，使傳感器在工作時，在測量分量方向承受的力遠大于非測量方向產生的力， 機械分解產生的干擾更小，從而在測量方向的應變變形比大。3、 解耦該傳感器首先利用一對T形梁和一對倒置T形梁結構進行機械分解，最后 應用對稱組橋方式完成各分量的輸出信號不受非測量分量信號的干擾，實現維間 解耦。如果所述的四個縱向梁中部設有單軸柔性鉸，則可利用單軸柔性鉸進一步 減小各分量間的干擾。4、應變片數量少通常傳感器每個分量的橋路為四個應變片，六個分量為"片'而該傳感器 縱向力和力矩的測量不需另外貼片，可通過測量橫向力和力矩橋路的應變片復合 組橋形成，只需16個應變片即可實現六分量測量，減小了由于應變片粘貼位置誤差帶來的干擾。
圖i為一種框架式解耦六分量傳感器的結構示意圖；圖中標號名稱1、橫向梁，2、縱向梁，3、縱向梁，4、橫向梁，5、固定 平臺，6、縱向梁，7、橫向梁，8、縱向梁，9、橫向梁，10、浮動平臺'1146、應變片。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明圖1為本發明的總體結構示意圖，該傳感器由浮動平臺10、固定平臺5、四 個設有單軸柔性鉸的縱向梁2、 3、 6、 8，和四個橫向梁l、 4、 7、 9構成，其中 縱向梁2、 6及位于浮動平臺10的橫向梁1、 9組成一對T形梁，縱向梁3、 8 及位于固定平臺5的橫向梁4、 7組成一對倒置T形梁，T形梁與倒置T形梁將 浮動平臺IO與固定平臺5連接成整體。該傳感器工作中，當承受X分量外力時，縱向梁2、 6剛度遠大于縱向梁3、 8，承受Y分量外力時，縱向梁3、 8剛度遠大于縱向梁2、 6。圖2為本發明的X、 Y、 Mz分量貼片示意圖，其中應變片11、 12、 13、 14 組成X分量橋路，應變片15、 16、 17、 18組成Y分量橋路，應變片ll、 14、 12、 13組成Mz分量橋路。圖3為本發明的My分量貼片示意圖，應變片19、 20、 21、 22組成My分量橋路。圖4為本發明的Mx分量貼片示意圖，應變片23、 24、 25、 26組成Mx分量橋路。當傳感器受Z向載荷時，可用應變片19、 21、 23、 25組成橋路。上述的組 橋方法可實現某分量測量時，對其它分量的干擾為零。該框架式解耦六分量傳感器在繼承已有傳感器優點的基礎上，進一步實施機 械分解及電分解，實現維間解耦，同時具有結構簡單、成本低、精度高、剛度大、 固有頻率高、靈敏度高、應變片數量少等優點，可廣泛用于機器人腕力、釆礦業、 風洞測力、電梯纜繩張力等領域的力測量。
權利要求
1、一種框架式解耦六分量傳感器，其特征在于包括固定平臺(5)和浮動平臺(10)，其中浮動平臺(10)左右兩端各設有橫向梁(9，1)，并分別通過一對縱向梁(6，2)與固定平臺相連，組成T形梁；固定平臺(5)前后兩側也各設有橫向梁(4，7)，并分別通過一對縱向梁(3，7)與浮動平臺(10)相連，組成倒置T形梁。
2、 根據權利要求1所述的六分量傳感器，其特征在于所述的四個縱向梁(2、 3、 6、 8)中部設有單軸柔性鉸。
3、 根據權利要求1或2所述的六分量傳感器，其特征在于所述的四個縱向 梁(2、 3、 6、 8)分別與四個橫向梁(1、 4、 9、 7)相垂直。
4、 根據權利要求1或2所述的六分量傳感器，其特征在于所述的四個縱向 梁(2、 3、 6、 8)分別相對傳感器縱向中心剖面對稱分布。
5、 根據權利要求4所述的六分量傳感器，其特征在于所述的四個縱向梁(2、 3、 6、 8)分布在同一圓周。
6、 權利要求l所述的框架式解耦六分量傳感器的使用方法，其特征在于 測量X分量時，通過貼于前后兩根縱向梁(3, 8)下方的根部左右兩側的一共四片應變片Ul、 12、 13、 14)組成橋路；測量Y分量時，通過貼于左右兩根縱向梁(6, 2)下方的根部前后兩側的一 共四片應變片(15、 16、 17、 18)組成橋路；測量Mz分量時，通過貼于前后兩根縱向梁(3， 8)下方的根部左右兩側的 一共四片應變片(11、 12、 13、 14)組成橋路；測量My分量時，通過貼于固定平臺(5)的前后兩根橫向梁(4， 7)根部的 一共四片應變片(19、 20、 21、 22)組成橋路；測量Mx分量時，通過貼于浮動平臺(10)的左右兩根橫向梁(9, 1)根部 的一共四片應變片(23、 24、 25、 26)組成橋路;測量Z分量時，通過貼于固定平臺(5)的前后兩根橫向梁(4, 7)根部的 二片應變片U9、 21)及貼于浮動平臺(10)的左右兩根橫向梁(9， 1)根部的 二片應變片(23、 25)組成橋路；其中定義自后向前為X正方向，自左向右為Y正方向，自下向上為Z正方向。
全文摘要
本發明涉及框架式解耦六分量傳感器及使用方法，屬于工業機器人領域。它包括固定平臺和浮動平臺，其中浮動平臺左右兩端各設有橫向梁，并分別通過一對縱向梁與固定平臺相連，組成T形梁；固定平臺前后兩側也各設有橫向梁，并分別通過一對縱向梁與浮動平臺相連，組成倒置T形梁。它能實現空間六分量力的測量并解耦，同時具有結構簡單、體積小、剛度高、靈敏度高、精度高等優點，可用于機器人腕力傳感器及風洞天平等領域。
文檔編號G01L1/20GK101216359SQ20081001902
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者呂長魁, 吳洪濤, 裕 姚 申請人:南京航空航天大學