专利名称：框架式解耦六分量传感器及使用方法
技术领域：
本发明属于工业机器人领域，特别涉及一种六分量传感器。
技术背景自从20世纪70年代以来，随着机器人关节用六维力传感器成为国内外学者 研究的热点课题，发明了多种结构形式的应变式六维力传感器，不断地推动了力 传感器的发展，并在风洞测力、采矿业等领域广泛应用。迄今为止，国内、外学 者提出了多种结构形式的六维力传感器结构，如美国人提出的三根垂直筋作为变 形元件的整体六维力传感器，斯坦福研究所设计的简形六维力传感器，德国设计 了双环行六维力传感器，比利时以色列同时研制出一种四垂直筋结构六维力传感 器，以及光电式六维力传感器和双十字交叉式六维力传感器，十字结构六维力传 感器，双头形六维力传感器，三维交叉结构梁六维力传感器等。在国内，华中理 工大学设计了一种非径向三梁结构六维力传感器，东南大学研究了一种新型车轮 六维力传感器，哈尔滨工业大学设计了一种八垂直筋结构六维力传感器，中科院 合肥智能所开发了十字结构六维力传感器。以上的传感器或多或少的存在结构复 杂、干扰大、灵敏度低、刚度小等缺点，并普遍存在刚度与灵敏度矛盾难以兼顾。发明内容本发明的目的在于提供一种整体框架式解耦六分量传感器及使用方法。该传 感器能够解耦，并将输出信号增大。一种框架式解耦六分量传感器，其特征在于包括固定平台和浮动平台，其 中浮动平台左右两端各设有横向梁，并分别通过一对纵向梁与固定平台相连，组 成T形梁；固定平台前后两侧也各设有横向梁，并分别通过一对纵向梁与浮动 平台相连，组成倒置T形梁。上述的框架式解耦六分量传感器的使用方法，其特征在于测量X分量时，通过贴于前后两根纵向梁下方的根部左右两侧的一共四片应变片组成桥路；测量Y分量时，通过贴于左右两根纵向梁下方的根部前后两侧的一共四片应 变片组成桥路；测量Mz分量时，通过贴于前后两根纵向梁下方的根部左右两侧的一共四片应变片组成桥路；测量My分量时，通过贴于固定平台的前后两根横向梁根部的一共四片应变 片组成桥路；测量Mx分量时，通过贴于浮动平台的左右两根横向梁根部的一共四片应变 片组成桥路；测量Z分量时，通过贴于固定平台的前后两根横向梁根部的二片应变片及贴 于浮动平台的左右两根横向梁根部的二片应变片组成桥路；其中定义自后向前为X正方向，自左向右为Y正方向，自下向上为Z正方向。 本发明具有如下优点1、 结构简单传感器由上、下平台通过四对T形梁连接为整体，结构简单、紧凑，易于贴 片，具有对称性好，便于机械加工和微型化，降低了成本。2、 应变变形比大倒置T形梁和纵向梁的单轴柔性铰充分利用材料拉压强度大于弯曲强度的 优点，使传感器在工作时，在测量分量方向承受的力远大于非测量方向产生的力， 机械分解产生的干扰更小，从而在测量方向的应变变形比大。3、 解耦该传感器首先利用一对T形梁和一对倒置T形梁结构进行机械分解，最后 应用对称组桥方式完成各分量的输出信号不受非测量分量信号的干扰，实现维间 解耦。如果所述的四个纵向梁中部设有单轴柔性铰，则可利用单轴柔性铰进一步 减小各分量间的干扰。4、应变片数量少通常传感器每个分量的桥路为四个应变片，六个分量为"片'而该传感器 纵向力和力矩的测量不需另外贴片，可通过测量横向力和力矩桥路的应变片复合 组桥形成，只需16个应变片即可实现六分量测量，减小了由于应变片粘贴位置误差带来的干扰。
图i为一种框架式解耦六分量传感器的结构示意图；图中标号名称1、横向梁，2、纵向梁，3、纵向梁，4、横向梁，5、固定 平台，6、纵向梁，7、横向梁，8、纵向梁，9、横向梁，10、浮动平台'1146、应变片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明图1为本发明的总体结构示意图，该传感器由浮动平台10、固定平台5、四 个设有单轴柔性铰的纵向梁2、 3、 6、 8，和四个横向梁l、 4、 7、 9构成，其中 纵向梁2、 6及位于浮动平台10的横向梁1、 9组成一对T形梁，纵向梁3、 8 及位于固定平台5的横向梁4、 7组成一对倒置T形梁，T形梁与倒置T形梁将 浮动平台IO与固定平台5连接成整体。该传感器工作中，当承受X分量外力时，纵向梁2、 6刚度远大于纵向梁3、 8，承受Y分量外力时，纵向梁3、 8刚度远大于纵向梁2、 6。图2为本发明的X、 Y、 Mz分量贴片示意图，其中应变片11、 12、 13、 14 组成X分量桥路，应变片15、 16、 17、 18组成Y分量桥路，应变片ll、 14、 12、 13组成Mz分量桥路。图3为本发明的My分量贴片示意图，应变片19、 20、 21、 22组成My分量桥路。图4为本发明的Mx分量贴片示意图，应变片23、 24、 25、 26组成Mx分量桥路。当传感器受Z向载荷时，可用应变片19、 21、 23、 25组成桥路。上述的组 桥方法可实现某分量测量时，对其它分量的干扰为零。该框架式解耦六分量传感器在继承已有传感器优点的基础上，进一步实施机 械分解及电分解，实现维间解耦，同时具有结构简单、成本低、精度高、刚度大、 固有频率高、灵敏度高、应变片数量少等优点，可广泛用于机器人腕力、釆矿业、 风洞测力、电梯缆绳张力等领域的力测量。
权利要求
1、一种框架式解耦六分量传感器，其特征在于包括固定平台(5)和浮动平台(10)，其中浮动平台(10)左右两端各设有横向梁(9，1)，并分别通过一对纵向梁(6，2)与固定平台相连，组成T形梁；固定平台(5)前后两侧也各设有横向梁(4，7)，并分别通过一对纵向梁(3，7)与浮动平台(10)相连，组成倒置T形梁。
2、 根据权利要求1所述的六分量传感器，其特征在于所述的四个纵向梁(2、 3、 6、 8)中部设有单轴柔性铰。
3、 根据权利要求1或2所述的六分量传感器，其特征在于所述的四个纵向 梁(2、 3、 6、 8)分别与四个横向梁(1、 4、 9、 7)相垂直。
4、 根据权利要求1或2所述的六分量传感器，其特征在于所述的四个纵向 梁(2、 3、 6、 8)分别相对传感器纵向中心剖面对称分布。
5、 根据权利要求4所述的六分量传感器，其特征在于所述的四个纵向梁(2、 3、 6、 8)分布在同一圆周。
6、 权利要求l所述的框架式解耦六分量传感器的使用方法，其特征在于 测量X分量时，通过贴于前后两根纵向梁(3, 8)下方的根部左右两侧的一共四片应变片Ul、 12、 13、 14)组成桥路；测量Y分量时，通过贴于左右两根纵向梁(6, 2)下方的根部前后两侧的一 共四片应变片(15、 16、 17、 18)组成桥路；测量Mz分量时，通过贴于前后两根纵向梁(3， 8)下方的根部左右两侧的 一共四片应变片(11、 12、 13、 14)组成桥路；测量My分量时，通过贴于固定平台(5)的前后两根横向梁(4， 7)根部的 一共四片应变片(19、 20、 21、 22)组成桥路；测量Mx分量时，通过贴于浮动平台(10)的左右两根横向梁(9, 1)根部 的一共四片应变片(23、 24、 25、 26)组成桥路;测量Z分量时，通过贴于固定平台(5)的前后两根横向梁(4, 7)根部的 二片应变片U9、 21)及贴于浮动平台(10)的左右两根横向梁(9， 1)根部的 二片应变片(23、 25)组成桥路；其中定义自后向前为X正方向，自左向右为Y正方向，自下向上为Z正方向。
全文摘要
本发明涉及框架式解耦六分量传感器及使用方法，属于工业机器人领域。它包括固定平台和浮动平台，其中浮动平台左右两端各设有横向梁，并分别通过一对纵向梁与固定平台相连，组成T形梁；固定平台前后两侧也各设有横向梁，并分别通过一对纵向梁与浮动平台相连，组成倒置T形梁。它能实现空间六分量力的测量并解耦，同时具有结构简单、体积小、刚度高、灵敏度高、精度高等优点，可用于机器人腕力传感器及风洞天平等领域。
文档编号G01L1/20GK101216359SQ20081001902
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者吕长魁, 吴洪涛, 裕 姚 申请人:南京航空航天大学