一种六维力传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，更具体地说是可用于测量空间六维力的传感器。

背景技术：

多维力传感器是机器人获得与环境之间作用力的重要信息来源。目前已有多方面的多维力传感器的研究，如美国DraPer研究所研制的Waston多维力传感器，中科院合肥智能所和东南大学联合研制的SAFMS型多维力传感器，基于Stewart平台的多维力传感器，黄心汉教授研究的HUST FS6型多维力传感器，德国的Dr.R.Seitner公司设计的二级并联结构型六维力传感器等等。国内外对多维力传感器做了大量的研究，所设计的多维力传感器多种多样，各有不同的优缺点及应用场合，但多维力传感器的解耦、刚度与灵敏度的矛盾等问题还需得到进一步的研究。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种具有新的结构形式的六维力传感器，用于实现六维力传感器在结构上解耦，且在提高传感器灵敏度的同时保证传感器的刚度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明六维力传感器的结构特点是：具有周向支撑、中心台和径向梁；所述径向梁均匀分布在中心台的周边，径向梁的一端与中心台的外侧壁呈“T”形连接，径向梁的另一端与周向支撑的内侧壁呈“T”型连接，在所述径向梁上设有梁通孔，以使应力集中于梁通孔的两侧。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：所述径向梁共有四只，四只径向梁以中心台的中心为中心，呈“十”字分布。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：所述中心台和各径向梁均呈水平状态；以中心台的中心点为坐标原点建立三维坐标系，在所述三维坐标系中，四根径向梁中第一梁处在X轴正向上，第二梁处在Y轴正向上，第三梁处在X轴负向上，第四梁处在Y轴负向上；Z轴向为竖向。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：所述径向梁上有一个竖向通孔和两个水平通孔，布置方式有两种；

方式一：在各径向梁上，处在远离坐标原点的一端设置有竖向径向梁单通孔；处在靠近坐标原点的一端设置有第一水平径向梁通孔，处在第一水平径向梁通孔远离坐标原点的一侧并列有第二水平径向梁通孔，所述第一水平径向梁通孔与第二水平径向梁通孔相互连通形成为水平双通孔；

方式二：在各径向梁上，处在径向梁中间位置上设置有竖向径向梁单通孔；处在靠近坐标原点的一端设置有第一水平径向梁通孔，处在远离坐标原点的一端设置有第二水平径向梁通孔；

所述四只径向梁上第一水平径向梁通孔处在“十”字对称的位置上，四只径向梁上第二水平径向通孔亦处在“十”字对称的位置上；四只径向梁上竖向径向梁单通孔亦处在“十”字对称位置上。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：在所述径向梁的表面按如下形式分布应变片：

方式一：

应变片R11、R12、R13和R14构成第一惠斯通全桥电路，所述应变片R11、R12、R13和R14用于检测X轴方向上的应变，并以此获得Z轴方向力F_z；其中，应变片R11和R12上下对称地位于第三梁中对应于第二水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；应变片R13和R14上下对称地位于第一梁中对应于第二水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；

应变片R21、R22、R23和R24构成第二惠斯通全桥电路，所述应变片R21、R22、R23和R24用于检测X轴方向上的应变，并以此获得Y轴方向力矩M_y；其中，应变片R21和R22上下对称地位于第三梁中对应于第一水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；应变片R23和R24上下对称地位于第一梁中对应于第一水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；

应变片R31、R32、R33和R34构成第三惠斯通全桥电路，所述应变片R31、R32、R33和R34用于检测Y轴方向上的应变，并以此获得X轴方向力矩M_x；其中，应变片R31和R32上下对称地位于第二梁中对应于第一水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；应变片R33和R34上下对称地位于第四梁中对应于第一水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；

方式二：

应变片R11、R12、R13和R14构成第一惠斯通全桥电路，所述应变片R11、R12、R13和R14用于检测X轴方向上的应变，并以此获得Z轴方向力F_z；其中，应变片R11和R12上下对称地位于第三梁中对应于第一水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；应变片R13和R14上下对称地位于第一梁中对应于第一水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；

应变片R21、R22、R23和R24构成第二惠斯通全桥电路，所述应变片R21、R22、R23和R24用于检测X轴方向上的应变；并以此获得Y轴方向力矩M_y；其中，应变片R21和R22上下对称地位于第三梁中对应于第二水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；应变片R23和R24上下对称地位于第一梁中对应于第二水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；

应变片R31、R32、R33和R34构成第三惠斯通全桥电路，所述应变片R31、R32、R33和R34用于检测Y轴方向上的应变，并以此获得X轴方向力矩M_x；其中，应变片R31和R32上下对称地位于第二梁中对应于第二水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面；应变片R33和R34上下对称地位于第四梁中对应于第二水平径向梁通孔所在位置上的上表面和下表面。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：所述中心台设置为环体，在所述中心台上，靠近中心台与各径向梁相连接的位置上设置有竖向中心台通孔，以使应力集中于竖向中心台通孔的两侧；所述竖向中心台通孔对应于每只径向梁各有一对，一对竖向中心台通孔分处在径向梁轴线延长线的两侧左右对称的位置上。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：在所述中心台的表面按如下形式分布应变片：

应变片R41、R41’、R42、R42’、R43、R43’、R44和R44’构成第四惠斯通全桥电路，所述应变片R41、R41’、R42、R42’、R43、R43’、R44和R44’用于检测Y轴方向的应变，并以此获得X轴方向力F_x；其中：应变片R41、R41’、R43和R43’设置在中心台的环体的内环表面，R42、R42’、R44和R44’设置在中心台(2)的环体的外环表面；R41和R42处在对应于第三梁所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第三梁；R41’和R42’处在对应于第三梁所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第三梁；R43和R44处在对应于第一梁所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第一梁，R43’和R44’处在对应于第一梁所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第一梁；

应变片R51、R51’、R52、R52’、R53、R53’、R54和R54’构成第五惠斯通全桥电路，所述应变片R51、R51’、R52、R52’、R53、R53’、R54和R54’用于检测X轴方向应变，并以此获Y轴方向力F_y；其中：应变片R51、R51’、R53和R53’设置在中心台的环体的内环表面，R52、R52’、R54和R54’设置在中心台的环体的外环表面；R51和R52处在对应于第二梁所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第二梁，R51’和R52’处在对应于第二梁所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第二梁；R53和R54处在对应于第四梁所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第四梁；R53’和R54’处在对应于第四梁所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔的中心，靠近第四梁。

应变片R61、R62、R63和R64构成第六惠斯通全桥电路，所述应变片R61、R62、R63和R64用于检测X轴方向的应变，并以此获得Z轴方向力矩M_z；其中，应变片R61和R62左右对称地位于第三梁中对应于竖向径向梁单通孔所在位置的左右两侧表面；应变片R63和R64左右对称地位于第一梁中对应于竖向径向梁单通孔所在位置的左右两侧表面；应变片R61和R64的位置关于坐标原点对称。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：

在所述第一惠斯通全桥电路中：R11和R14为相邻臂，R12和R13为相邻臂，R11和R13为相对臂，R11和R12的连接点为输入端A1，R14和R13的连接点为输入端B1，R11和R14的连接点为输出端C1，R12和R13的连接点为输出端D1，在输入端A1和B1间接入输入电压，在输出端C1和输出端D1间输出检测信号。

在所述第二惠斯通全桥电路中：R21和R23互相邻臂，R22和R24为相邻臂，R21和R24为相对臂，R21和R22的连接点为输入端A2，R23和R24的连接点为输入端B2，R21和R23的连接点为输出端C2，R22和R24的连接点为输出端D2，在输入端A2和B2间接入输出电压，在输出端C2和输出端D2间输出检测信号电压连接点。

在所述第三惠斯通全桥电路中：R31和R33互相邻臂，R32和R34为相邻臂，R31和R34为相对臂，R31和R32的连接点为输入端A3，R33和R34的连接点为输入端B3，R31和R33的连接点为输出端C3，R32和R34的连接点为输出端D3，在输入端A3和B3间接入输出电压，在输出端C3和输出端D3间输出检测信号电压连接点。

本发明六维力传感器的结构特点也在于：

在所述第四惠斯通全桥电路中：R41和R41’串联为第一臂，R42和R42’串联为第二臂，R43和R43’串联为第三臂，R44和R44’串联为第四臂，第一臂与第二臂的连接点为输出端A4，第三臂与第四臂的连接点为输入端B4，第一臂与第三臂的连接点为输出端C4，第二臂与第四臂的连接点为输出端D4，在输出端A4和B4间接入输入电压，在输出端C4和D4间输出检测信号。

在所述第五惠斯通全桥电路中：R51和R51’串联为第一臂，R52和R52’串联为第二臂，R53和R53’串联为第三臂，R54和R54’串联为第四臂，第一臂与第二臂的连接点为输出端A5，第三臂与第四臂的连接点为输入端B5，第一臂与第三臂的连接点为输出端C5，第二臂与第四臂的连接点为输出端D5，在输出端A5和B5间接入输入电压，在输出端C5和D5间输出检测信号。

在所述第六惠斯通全桥电路中：R61和R63互相邻臂，R62和R64为相邻臂，R61和R64为相对臂，R61和R62的连接点为输入端A6，R63和R64的连接点为输入端B6，R61和R63的连接点为输出端C6，R62和R64的连接点为输出端D6，在输入端A6和B6间接入输入电压，在输出端C6和输出端D6间输出检测信号电压连接点。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明实现了结构解耦。针对本发明中弹性体的结构形式，可以在径向梁和周向梁的不同位置上粘贴电阻应变片，根据力传感器原理，运用惠斯通全桥电路，实现六维力测量，并能有效避免维间力的相互干扰。

2、本发明能获得较高的检测灵敏度，各径向梁和周向梁上开设的通孔，使应变集中在所测区域。

3、本发明中中心台上采用“工”字型结构，有效提高了传感器结构的动态性能。

4、本发明弹性体可整体加工，减少重复性误差，其结构简单，易于加工。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中径向梁及中心台上表面应变片分布示意图；

图3为本发明中径向梁及中心台下表面应变片分布示意图；

图4a为本发明中第一惠斯通全桥电路a原理图；

图4b为本发明中第二惠斯通全桥电路b原理图；

图4c为本发明中第三惠斯通全桥电路c原理图；

图4d为本发明中第四惠斯通全桥电路d原理图；

图4e为本发明中第五惠斯通全桥电路e原理图；

图4f为本发明中第六惠斯通全桥电路f原理图；

图中标号：1周向支撑，2中心台，3径向梁，3a第一梁，3b第二梁，3c第三梁，3d第四梁，4竖向径向梁单通孔，5第二水平径向梁通孔，6竖向中心台通孔，7第一水平径向梁通孔。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实施例中六维力传感器具有周向支撑1、中心台2和径向梁3；

径向梁3均匀分布在中心台2的周边，径向梁3的一端与中心台2的外侧壁呈“T”形连接，径向梁3的另一端与周向支撑1的内侧壁呈“T”型连接，在径向梁3上设有梁通孔，以使应力集中于梁通孔的两侧。

图1所示径向梁3共有四只，四只径向梁3以中心台1的中心为中心，呈“十”字分布；中心台2和各径向梁3均呈水平状态；以中心台1的中心点为坐标原点建立三维坐标系，在三维坐标系中，四根径向梁中第一梁3a处在X轴正向上，第二梁3b处在Y轴正向上，第三梁3c处在X轴负向上，第四梁3d处在Y轴负向上；Z轴向为竖向。

本实施例中径向梁3上有一个竖向通孔和两个水平通孔，图1所示结构中，在各径向梁3上，处在远离坐标原点的一端设置有竖向径向梁单通孔4；处在靠近坐标原点的一端设置有第一水平径向梁通孔7，处在第一水平径向梁通孔7远离坐标原点的一侧并列有第二水平径向梁通孔5，第一水平径向梁通孔7与第二水平径向梁通孔5相互连通形成为水平双通孔。除此之外，也可以将径向梁3上的一个竖向通孔和两个水平通孔设置为：在各径向梁3上，处在径向梁3中间位置上设置有竖向径向梁单通孔4；处在靠近坐标原点的一端设置有第一水平径向梁通孔7，处在远离坐标原点的一端设置有第二水平径向梁通孔5。

四只径向梁上第一水平径向梁通孔7处在“十”字对称的位置上，四只径向梁上第二水平径向通孔5亦处在“十”字对称的位置上；四只径向梁上竖向径向梁单通孔4亦处在“十”字对称位置上。

本实施例中，如图2和图3所示，在径向梁3的表面按如下形式分布应变片：

应变片R11、R12、R13和R14构成第一惠斯通全桥电路a，应变片R11、R12、R13和R14用于检测X轴方向上的应变，并以此获得Z轴方向力F_z；其中，应变片R11和R12上下对称地位于第三梁3c中对应于第二水平径向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面；应变片R13和R14上下对称地位于第一梁3a中对应于第二水平径向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面。

应变片R21、R22、R23和R24构成第二惠斯通全桥电路b，应变片R21、R22、R23和R24用于检测X轴方向上的应变，并以此获得Y轴方向力矩M_y；其中，应变片R21和R22上下对称地位于第三梁3c中对应于第一水平径向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面；应变片R23和R24上下对称地位于第一梁3a中对应于第一水平径向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面。

应变片R31、R32、R33和R34构成第三惠斯通全桥电路c，应变片R31、R32、R33和R34用于检测Y轴方向上的应变，并以此获得X轴方向力矩M_x；其中，应变片R31和R32上下对称地位于第二梁3b中对应于第一水平径向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面；应变片R33和R34上下对称地位于第四梁3d中对应于第一水平径向梁7通孔所在位置上的上表面和下表面。

本实施例中，对于图1、图2和图3所示的结构形式，将中心台2设置为环体，在中心台2上，靠近中心台2与各径向梁3相连接的位置上设置有竖向中心台通孔6，以使应力集中于竖向中心台通孔6的两侧，中心台上的竖向中心台通孔6使中心台与径向梁连接端形成“工”字型结构，可以有效提高传感器结构的动态性能；竖向中心台通孔6对应于每只径向梁3各有一对，一对竖向中心台通孔6分处在径向梁3轴线延长线的两侧左右对称的位置上；在中心台2的表面按如下形式分布应变片：

应变片R41、R41’、R42、R42’、R43、R43’、R44和R44’构成第四惠斯通全桥电路d，应变片R41、R41’、R42、R42’、R43、R43’、R44和R44’用于检测Y轴方向的应变，并以此获得X轴方向力F_x；其中：应变片R41、R41’、R43和R43’设置在中心台2的环体的内环表面，R42、R42’、R44和R44’设置在中心台2的环体的外环表面；R41和R42处在对应于第三梁3c所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第三梁3c；R41’和R42’处在对应于第三梁3c所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第三梁3c；R43和R44处在对应于第一梁3a所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第一梁3a，R43’和R44’处在对应于第一梁3a所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第一梁3a。

应变片R51、R51’、R52、R52’、R53、R53’、R54和R54’构成第五惠斯通全桥电路e，应变片R51、R51’、R52、R52’、R53、R53’、R54和R54’用于检测X轴方向应变，并以此获Y轴方向力F_y；其中：应变片R51、R51’、R53和R53’设置在中心台2的环体的内环表面，R52、R52’、R54和R54’设置在中心台2的环体的外环表面；R51和R52处在对应于第二梁3b所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第二梁3b，R51’和R52’处在对应于第二梁3b所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第二梁3b；R53和R54处在对应于第四梁3d所在位置一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第四梁3d；R53’和R54’处在对应于第四梁3d所在位置另一只竖向中心台通孔的两侧，其位置偏离竖向中心台通孔6的中心，靠近第四梁3d。

应变片R61、R62、R63和R64构成第六惠斯通全桥电路f，应变片R61、R62、R63和R64用于检测X轴方向的应变，并以此获得Z轴方向力矩M_z；其中，应变片R61和R62左右对称地位于第三梁3c中对应于竖向径向梁单通孔4所在位置的左右两侧表面；应变片R63和R64左右对称地位于第一梁3a中对应于竖向径向梁单通孔4所在位置的左右两侧表面；应变片R61和R64的位置关于坐标原点对称。

参见图4a，本实施例中第一惠斯通全桥电路a的结构形式是：R11和R14为相邻臂，R12和R13为相邻臂，R11和R13为相对臂，R11和R12的连接点为输入端A1，R14和R13的连接点为输入端B1，R11和R14的连接点为输出端C1，R12和R13的连接点为输出端D1，在输入端A1和B1间接入输入电压，在输出端C1和输出端D1间输出检测信号。

参见图4b，本实施例中第二惠斯通全桥电路b的结构形式是：R21和R23互相邻臂，R22和R24为相邻臂，R21和R24为相对臂，R21和R22的连接点为输入端A2，R23和R24的连接点为输入端B2，R21和R23的连接点为输出端C2，R22和R24的连接点为输出端D2，在输入端A2和B2间接入输出电压，在输出端C2和输出端D2间输出检测信号电压连接点。

参见图4c，本实施例中第三惠斯通全桥电路c的结构形式是：R31和R33互相邻臂，R32和R34为相邻臂，R31和R34为相对臂，R31和R32的连接点为输入端A3，R33和R34的连接点为输入端B3，R31和R33的连接点为输出端C3，R32和R34的连接点为输出端D3，在输入端A3和B3间接入输出电压，在输出端C3和输出端D3间输出检测信号电压连接点。

参见图4d，本实施例中第四惠斯通全桥电路d的结构形式是：R41和R41’串联为第一臂，R42和R42’串联为第二臂，R43和R43’串联为第三臂，R44和R44’串联为第四臂，第一臂与第二臂的连接点为输出端A4，第三臂与第四臂的连接点为输入端B4，第一臂与第三臂的连接点为输出端C4，第二臂与第四臂的连接点为输出端D4，在输出端A4和B4间接入输入电压，在输出端C4和D4间输出检测信号。

参见图4e，本实施例中第五惠斯通全桥电路e结构形式是：R51和R51’串联为第一臂，R52和R52’串联为第二臂，R53和R53’串联为第三臂，R54和R54’串联为第四臂，第一臂与第二臂的连接点为输出端A5，第三臂与第四臂的连接点为输入端B5，第一臂与第三臂的连接点为输出端C5，第二臂与第四臂的连接点为输出端D5，在输出端A5和B5间接入输入电压，在输出端C5和D5间输出检测信号。

参见图4f，本实施例中第六惠斯通全桥电路f结构形式是：R61和R63互相邻臂，R62和R64为相邻臂，R61和R64为相对臂，R61和R62的连接点为输入端A6，R63和R64的连接点为输入端B6，R61和R63的连接点为输出端C6，R62和R64的连接点为输出端D6，在输入端A6和B6间接入输入电压，在输出端C6和输出端D6间输出检测信号电压连接点。

具体实施中，除了本实施例中给出的结构形式，在径向梁3的表面也可以按如下形式分布应变片：

应变片R11、R12、R13和R14构成第一惠斯通全桥电路a，应变片R11、R12、R13和R14用于检测X轴方向上的应变，并以此获得Z轴方向力F_z；其中，应变片R11和R12上下对称地位于第三梁3c中对应于第一水平径向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面；应变片R13和R14上下对称地位于第一梁3a中对应于第一水平径向梁通孔7所在位置上的上表面和下表面。

应变片R21、R22、R23和R24构成第二惠斯通全桥电路b，应变片R21、R22、R23和R24用于检测X轴方向上的应变；并以此获得Y轴方向力矩M_y；其中，应变片R21和R22上下对称地位于第三梁3c中对应于第二水平径向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面；应变片R23和R24上下对称地位于第一梁3a中对应于第二水平径向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面。

应变片R31、R32、R33和R34构成第三惠斯通全桥电路c，应变片R31、R32、R33和R34用于检测Y轴方向上的应变，并以此获得X轴方向力矩M_x；其中，应变片R31和R32上下对称地位于第二梁3b中对应于第二水平径向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面；应变片R33和R34上下对称地位于第四梁3d中对应于第二水平径向梁通孔5所在位置上的上表面和下表面。

应变片的贴片位置以及惠斯通全桥电路的连接，可以使得该六维力传感器在结构上实现完全解耦，测量其中一个力或力矩时，其它力或力矩对其测量没有影响。