六维力传感器

1.本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种六维力传感器。


背景技术：

2.随着智能科技的不断发展，传感器重要性日益突出，同时对传感器的性能要求越来越高。在相关技术中，通常采用等截面单直梁作为六维力传感器的敏感元件，由于单直梁受到不同方向力时变形差异较大，导致六维力传感器灵敏度各向同性度较低。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出了一种六维力传感器，变形梁受到不同方向力时变形梁均具有较大变形量，以提高六维力传感器各方向的灵敏度以及灵敏度各向同性。
4.本实用新型实施例的六维力传感器，包括：
5.基座，用于与工作平台连接，以将六维力传感器固定于所述工作平台；
6.受力件，用于承载执行工具；
7.变形梁，所述变形梁包括环形梁、多根外梁以及多根内梁，各所述外梁的一端连接所述基座，另一端连接于所述环形梁的外壁，各所述内梁的一端连接于所述环形梁的内壁，另一端连接于所述受力件，且相邻的所述内梁与所述外梁之间的夹角大于0
°
小于180
°
；
8.感应电容器，所述感应电容器包括静电极以及动电极，所述静电极连接于所述基座，所述动电极连接于所述受力件，所述变形梁受力发生变形能够带动所述动电极靠近或远离所述静电极。
9.根据本实用新型实施例的六维力传感器，至少具有如下有益效果：
10.变形梁包括外梁、环形梁以及内梁，外梁的一端连接于基座，另一端连接于环形梁的外壁，内梁的一端连接于环形梁的内壁，另一端连接于受力件，受力件用于连接执行工具。在工作过程中，工具受力并将力传递至受力件，受力件再将力传递至变形梁，变形梁中的外梁、环形梁以及内梁均发生变形，且外梁、环形梁以及内梁三者轴线不重合且不平行，因此对不同方向力的刚度不同，由此能够通过调节外梁、环形梁以及内梁的尺寸使变形梁各方刚度一致，以使传感器灵敏度各向同性相同。此外，由于本实施例的变形梁在受到不同方向力时，外梁、环形梁以及内梁中的至少一者能够发生较大变形，从而提高六维力传感器整体灵敏度。
11.所述内梁的上表面、所述外梁的上表面以及所述环形梁的上表面位于同一平面，且所述内梁的下表面、所述外梁的下表面以及所述环形梁的下表面位于同一平面。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述外梁与所述内梁的数目相同，且相邻所述外梁与所述内梁之间的夹角相同。
13.根据本实用新型的一些实施例，沿所述外梁的延伸方向，所述外梁的截面由两端向中央位置逐渐递减。
14.根据本实用新型的一些实施例，沿所述内梁的延伸方向，所述内梁的的截面由两端向中央位置逐渐递减。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述变形梁可拆卸地连接于所述基座与受力件之间。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述变形梁由2a12硬质铝合金制成。
17.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
19.图1为本实用新型实施例六维力传感器的示意图；
20.图2为本实用新型另一实施例六维力传感器的示意图；
21.图3为本实用新型另一实施例六维力传感器的示意图。
22.附图标记：
23.基座100、变形梁200、外梁210、环形梁220、内梁230、受力件300。
具体实施方式
24.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
27.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
28.本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
29.图1为本实用新型实施例六维力传感器的示意图，参照图1，本实用新型实施例的六维力传感器，包括：基座100、受力件300、变形梁200以及感应电容器。
30.其中，基座100用于与工作平台连接，以将六维力传感器固定于工作平台。受力件300用于承载执行工具。变形梁200包括环形梁220、多根外梁210以及多根内梁230，各外梁210的一端连接基座100，另一端连接于环形梁220的外壁，各内梁230的一端连接于环形梁220的内壁，另一端连接于受力件300，且相邻的内梁230与外梁210之间的夹角大于0
°
小于180
°
。感应电容器(图中未示出)包括静电极以及动电极，静电极连接于基座100，动电极连接于受力件300，变形梁200受力发生变形能够带动动电极靠近或远离静电极。
31.具体的，力传感器的灵敏度为传感器对力的响应程度，即单位力值引起的电容变化量，电容器电容变化量与极板间距相关，极板间距的变化与变形梁200的变形相关，而变形梁200的变形与刚度相关。因此变形梁200的刚度对力传感器的灵敏度起到了至关重要的作用。此外，可以知道的是，六维力传感器生产制造后还需要进行解耦标定，解耦的精度决定了六维力传感器测量精度，而六维力传感器的灵敏度各向同性越好解耦精度越高，故灵敏度各向同性越好，六维力传感器测量精度越高。本实施例的六维力传感器中的变形梁200包括外梁210、环形梁220以及内梁230，环形梁220的形状呈圆筒状，外梁210的一端连接于基座100，另一端连接于环形梁220的外壁，内梁230的一端连接于环形梁220的内壁，另一端连接于受力件300。基座100上具有螺纹孔，用于与工作平台(例如机器手)连接，以将六维力传感器固定于工作平台。受力件300具有螺纹孔，用于连接执行工具(例如焊枪，磨具等机械加工工具)，或者用于连接法兰以连接执行工具。在工作过程中，执行工具受到外力并将力传递至受力件300，受力件300再将力传递至变形梁200，变形梁200中的外梁210、环形梁220以及内梁230发生变形。由于外梁210、环形梁220以及内梁230的轴线均不重合且不平行，因此对不同方向力的刚度不同，即对不同方向力的抵抗变形能力不同，由此能够通过调节外梁210、环形梁220以及内梁230的尺寸从而调节变形梁200的各方向的整体刚度，以使六维力传感器灵敏度各向同性相同。
32.在一些实施例中，内梁230的上表面、外梁210的上表面以及环形梁220的上表面位于同一平面，且内梁230的下表面、外梁210的下表面以及环形梁220的下表面位于同一平面。结构简单，整体厚度较小，从而减小传感器厚度，且能够利用一块材料仅通过线切割或铣削加工形成，加工方便，节约制造成本。
33.需要说明的是，附图1至3中外梁210与内梁230数目相同不能解释为对本实施例的唯一限定，外梁210可以为两根、三根(如附图2所示)以及四根(如附图1所示)等任意大于一的数量，内梁230可以为两根、三根以及四根等任意大于一的数量。
34.参照图1，在上述实施例基础上，外梁210与内梁230数目相同，且相邻外梁210与内梁230之间的夹角相同。具体的，外梁210与内梁230数目相同，且相邻外梁210与内梁230之间的夹角相同，即外梁210与内梁230于环形梁220上相互间隔分布，外梁210位于相邻的两根内梁230的中央位置，内梁230位于相邻的两根外梁210的中央位置。由挠度公式可知，两端固定的横梁受到同样大小力时，当力的作用点位于横梁的中点时挠度最大，即横梁的变形量最大。因此，当环形梁220受到内梁230与外梁210压力或拉力时，无论是以外梁210作为支撑点，内梁230作为施力件；还是以内梁230作为支撑点，外梁210作为施力件，环形梁220均具有较大的变形量，提高连接于变形梁200的受力件300的偏移量，以提高电容器极距的变化，从而增大电容器电容量的改变量，以提高传感器的灵敏度。
35.参照图3，图3为本实用新型另一实施例六维力传感器的示意图，在一些实施例中，
沿外梁210的延伸方向，外梁210的截面由两端向中央位置逐渐递减。具体的，可以知道的是，在外梁210受力变形过程中，应力主要集中于连接于基座100以及环形梁220的两端，因此对于外梁210而言，当外梁210为传统等截面直梁时，中央部位的材料的强度未能得到充分的利用。基于此，本实施例中的外梁210，沿延伸方向，截面由两端向中央位置逐渐递减，即两端厚，中间薄，能够在保证外梁210强度同时，减小外梁210的刚度，从而提高六维传感器的灵敏度，且能够减轻六维力传感器的重量。
36.同理，参照图3，在一些实施例中，沿内梁230的延伸方向，内梁230的的截面由两端向中央位置逐渐递减。能够在保证外梁210强度同时，减小外梁210的刚度，从而提高六维力传感器的灵敏度，且能够减小六维力传感器的质量。
37.在一些实施例中，变形梁200可拆卸地连接于基座100与受力件300之间。具体的，变形梁200需要使用力学性能较好的材料，因此为了节省制造成本，变形梁200能够通过卡接或螺纹连接的方式与与基座100以及受力件300可拆卸地连接，以使变形梁200能够选择异于基座100以及受力件300的材料单独进行加工制造。此外，可以理解的是，六维力传感器在使用过程中，变形梁200会因长时间使用造成疲劳损坏，导致六维力传感器的精度降低或直接无法使用。因此，当变形梁200损坏后，本实施例的六维力传感器能够将变形梁200拆卸下来进行更换，而无需替换整个六维力传感器，以节省成本。
38.在一些实施例中，变形梁200由2a12硬质铝合金制成。具体的，2a12硬质铝合金强度高、密度小，力学性能好、成本低，以使变形梁200具有较高的强度，较轻的重量，同时具有较好的力学变形能力。
39.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。