一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置的制作方法

本发明涉及一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置，该装置基于弯曲变形理论通过对各向电阻应变片进行合理的空间布置，以消除分力之间的相互干扰，解决三维力传感器存在维间耦合性的难题，提高三维力传感器测量的准确度。

背景技术：

传感器在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着重要作用，传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一。多分力传感器能够测量三维空间的全力信息，广泛应用于精密装配、轮廓跟踪、双手协调等作业中，同时在智能机器人、自动控制、航空航天、仿生运动等研究领域广泛应用。对于多分力传感器的研究，其核心问题是弹性体的结构设计与电阻应变片的合理布置，弹性体的结构决定着传感器的刚度、分辨率、灵敏度和动态性能等，电阻应变片的空间布置影响传感器的维间耦合性及测量精度，两者是传感器性能优劣的关键所在。然而，目前在三维力传感器的设计过程中在分辨率、测量精度、维间耦合性与动态特性之间很难到达一个平衡点。国内三维力传感器普遍采用筒式结构，电阻应变片布置于圆筒两端部，保证了传感器具有较高的灵敏度，却存在维间耦合度大、动态特性差、稳定性低等不足。近年来，一些学者探索采用立柱式结构，比如，在公开号为CN200920276179.8的专利中公开了一种立柱式三维测力传感器，该传感器采样立柱式结构，并将电阻应变片布置于立柱中心，此项技术改进在一定程度上提高了传感器的稳定性及动态性能，但是还是无法解决三维力传感器存在维间耦合性的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置，通过对立柱式三维力传感器进行结构改进，并基于弯曲变形理论对各向电阻应变片进行合理的空间布置，解决三维力传感器存在维间耦合性的难题，提高三维力传感器的综合性能。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置，包括上压板、传力柱、下压板，上压板通过四个均匀布置的传力柱将其所承受的矢量力传递给下压板；每个传力柱四个表面上均布置X向电阻应变片组、Y向电阻应变片组与Z向电阻应变片组，在外载荷作用下传力柱产生弹性变形，X向电阻应变片组、Y向电阻应变片组与Z向电阻应变片组便可感知其各自方向上的形变量。

所述的四个均匀布置的传力柱为该三维力传感器的弹性体，弹性体的壳体是沿壳体轴向上下对称结构，将壳体镂空，分别形成上压板、传力柱、下压板。

所述的X向电阻应变片组由电阻应变片Xa、电阻应变片Xb、电阻应变片Xc及电阻应变片Xd组成，电阻应变片Xa、电阻应变片Xb、电阻应变片Xc及电阻应变片Xd以传力柱横向对称面为中心对称布置在其两端，组成一组全桥电路Qx，用于完成对X方向分力Fx的测量。

所述的Y向电阻应变片组由电阻应变片Ya、电阻应变片Yb、电阻应变片Yc及电阻应变片Yd组成，电阻应变片Ya、电阻应变片Yb、电阻应变片Yc及电阻应变片Yd以传力柱横向对称面为中心对称布置在其两端，组成一组全桥电路Qy，用于完成对Y方向分力Fy的测量。

所述的Z向电阻应变片组由电阻应变片Za、电阻应变片Zb、电阻应变片Zc及电阻应变片Zd组成，电阻应变片Zc与电阻应变片Zd布置于传力柱两相对表面上，电阻应变片Zc与电阻应变片Zd中心与柱横向对称面重合并以传力柱纵向对称面为中心对称布置；电阻应变片Za与电阻应变片Zb位于传力柱两相对表面，其中心与柱横向对称面重合，电阻应变片Za、电阻应变片Zb、电阻应变片Zc及电阻应变片Zd串联于同一支路上，组成一组全桥电路Qz，用于完成对Z方向分力Fz的测量。

所述的上压板、下压板采用阶梯轴结构。

本发明所取得的有益效果为：

本发明可以完成对矢量力X、Y、Z三个方向分力的测量，本发明以三维力传感器立柱式结构为基础，并借鉴筒式结构的设计优点，确保了该新型三维力传感器具有较高的灵敏度、测量精度以及动态特性，并基于弯曲变形理论通过对各向电阻应变片进行合理的空间布置，消除三维力传感器维间耦合性问题。

附图说明

图1为本发明三维力传感器结构示意图I；

图2为本发明三维力传感器结构示意图II；

图3为本发明三维力传感器传力柱电阻应变片布置示意图I；

图4为本发明三维力传感器传力柱电阻应变片布置示意图II；

图5为本发明三维力传感器传力柱电阻应变片布置示意图III；

图6为X向全桥电路Qx；

图7为Y向全桥电路Qy；

图8为Z向四分之一桥电路Qz；

图中：1-上压板；2-传力柱；3-下压板；4-Y向电阻应变片组；5-X向电阻应变片组；6-Z向电阻应变片组；7-电阻应变片Xa；8-电阻应变片Za；9-电阻应变片Xb；10-电阻应变片Ya；11-电阻应变片Yb；12-电阻应变片Zb；13-电阻应变片Zc；14-电阻应变片Yc；15-电阻应变片Yd；16-电阻应变片Xc；17-电阻应变片Zd；18-电阻应变片Xd。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1—8所示，本发明所述一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置包括上压板1、传力柱2、下压板3及电阻应变片组，组成弹性体的壳体是沿壳体轴向上下对称结构；将壳体镂空，分别形成上压板1、传力柱2、下压板3，上压板1通过4个均匀布置的传力柱2将其所承受的矢量力传递给下压板3；4个均匀布置的传力柱2为该三维力传感器的弹性体，每个传力柱2四个表面上均布置X向电阻应变片组5、Y向电阻应变片组4与Z向电阻应变片组6，在外载荷作用下弹性体传力柱2产生弹性变形，X向电阻应变片组5、Y向电阻应变片组4与Z向电阻应变片组6便可感知其各自方向上的形变量。

X向电阻应变片组5由电阻应变片Xa7、电阻应变片Xb9、电阻应变片Xc16及电阻应变片Xd18组成，电阻应变片Xa7、电阻应变片Xb9、电阻应变片Xc16及电阻应变片Xd18以传力柱2横向对称面为中心对称布置在其两端，组成一组全桥电路Qx，用于完成对X方向分力Fx的测量。

Y向电阻应变片组4由电阻应变片Ya10、电阻应变片Yb11、电阻应变片Yc14及电阻应变片Yd15组成，电阻应变片Ya10、电阻应变片Yb11、电阻应变片Yc14及电阻应变片Yd15以传力柱2横向对称面为中心对称布置在其两端，组成一组全桥电路Qy，用于完成对Y方向分力Fy的测量。

Z向电阻应变片组6由电阻应变片Za8、电阻应变片Zb12、电阻应变片Zc13及电阻应变片Zd17组成，并基于弯曲变形理论，将电阻应变片Zc13与电阻应变片Zd17布置于传力柱2两相对表面上，保证电阻应变片Zc13与电阻应变片Zd17中心与柱横向对称面重合并以传力柱2纵向对称面为中心对称布置；电阻应变片Za8与电阻应变片Zb12位于传力柱2两相对表面，其中心与柱横向对称面重合，用于温度补偿。电阻应变片Za8、电阻应变片Zb12、电阻应变片Zc13及电阻应变片Zd17组成一组全桥电路Qz，用于完成对Z方向分力Fz的测量。

本实施例根据使用要求确定量程，轴向力Fz量程500kN，切向力Fx、Fy量程150kN，根据量程确定该三维力传感器弹性体的关键尺寸如下：传感器上压板1、下压板3直径为上压板1、下压板3采用阶梯轴结构，总厚度为50mm；四个传力柱2以上压板1、下压板3中心轴均匀布置于直径为的圆上，其截面尺寸为30mmx30mm，每个传力柱2上均粘贴有X向电阻应变片组5、Y向电阻应变片组4与Z向电阻应变片组6，用于完成对轴向力Fz与切向力Fx、Fy的测量。

以其中任意一传力柱2为例，其X向电阻应变片组5、Y向电阻应变片组4与Z向电阻应变片组6的布置示意图如图3—5所示，其中X向电阻应变片组5、Y向电阻应变片组4分别布置于传力柱2两相对表面，并分别组成如图6、图7所示的全桥测量电路，用于完成对切向力Fx、Fy的测量，只要保证X向电阻应变片组5与Y向电阻应变片组4粘贴位置分别位于传力柱2纵向对称面上，并位于两相对表面上对称位置，即可消除X向与Y向的维间耦合问题。

Z向电阻应变片Za8、电阻应变片Zd17与电阻应变片Zb12、电阻应变片Zc13布置于传力柱2两相对表面，并组成如图8所示的四分之一桥电路，用于完成对切向力Fz的测量。其中电阻应变片Za8与电阻应变片Zb12位于传力柱2横向对称面上并横向粘贴，传力柱2在受到外力作用时，此两电阻应变片将不发生形变，用于Z向温度补偿；电阻应变片Zc13与电阻应变片Zd17布置于传力柱2横向对称面上并以粘贴于传力柱2纵向对称面两侧，基于弯曲变形理论当传力柱2受到X向或Y向外力作用时，传力柱2发生弯曲变形，并以传力柱2中性层为对称中心，对称两侧发生大小相等，方向相反的形变，如图8所示将电阻应变片Zc13及电阻应变片Zd17串联于同一支路上，即可消除X向和Y向与Z向的维间耦合问题。