专利名称：六自由度力和力矩传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种六自由度力和力矩传感器，属传感器类。六自由度力和力矩传感器是最重要的机器人传感器之一，它能同时测量全力信息，包括在直角座标系中力的三个分量即Fx、Fy、Fz和力矩的三个分量Mx、My、Mz。根据测得的力和力矩，可计算出合成力和力矩的大小和方向。六自由度力和力矩传感器可用于机器人，风洞实验，机床切削力测量及轮胎测试等方面。特别在智能机器人技术中可用于精密装配，轮廓跟踪，零力示教等作业中。
目前六自由度传感器采用应变计原理的为主。如美国JR3，Lord及后来的Insurance，日本的日立等公司，并且已有产品，典型的例子是4，448，083号美国专利，其结构如附
图1所示，由于其轮辐末端部分是一垂直薄片，当加沿X轴的力Fx时，轮辐17、18是柔性的，因而使轮辐主干部分13、14所受弯曲力减少，使灵敏度降低，同样Fy的灵敏度也降低了。这种结构的六自由度传感器的特点是对于力矩Mx、My作用时维间干扰较小，但是Fx和Fy的灵敏度因薄片的柔性而降低。
本实用新型的目的就是要提高Fx和Fy的灵敏度，使得六自由度力传感器的各维的灵敏度、维间干扰、刚性、动态特性都得到改善。
本实用新型提出传感器的一种新结构，这种结构形状简单，易于加工，并使力和力矩的测量不受其他分量的干扰。根据本实用新型提出的结构，测量多自由度力和力矩的装置由以下几部分组成中心块部分、外缘部分和连接中心块部分与外缘部分的四根互相垂直的轮辐部分，每一轮辐由矩形截面的主干部分和十字形截面的末端部分构成。浮动梁中心和轮辐末端部分相连，浮动梁两端和外缘部分相连。浮动梁在垂直轮辐轴线方向上厚度小，故在轮辐轴线方向上有较大的柔性。这样，当沿着轮辐轴线方向加力时，弯曲应力在受力方面起主要作用。十字梁部分对于扭曲是柔性的，因此在测量沿X、Y轴向的力矩时，弯曲应力起主要作用。机电变换器，如应变计贴在轮辐主干部分的四个表面上，用以测量相应的力和力矩引起的应变，并可测出力和力矩。
以下结合附图对本实用新型说明之。
附图2是本实用新型的结构图，图中10——中心块部分，1、2、3、4——轮辐，5、6、7、8——浮动梁，20——外缘，11、12、13、14——轮辐主干部分，15、16、17、18——轮辐末端部分，图中小方块所示是应变计。
本实用新型的结构是在外缘20内有一中心部分10，中心块部分10和外缘部分20是同轴的。两者由相互垂直的轮辐1、2、3、4连接，轮辐1、2、3，4是由矩形截面的主干部分11、12、13、14和十字形截面的末端部分15、16、17、18构成。轮辐的11、12、13、14主干部分与中心部分10连接，轮辐的末端部分15，16，17，18与两端和刚性外缘20相连的浮动梁5、6、7、8相连，应变计如图中小方块所示共有32个，贴在轮辐1、2、3、4的各个面上。
本实用新型的轮辐末端部分15、16、17、18的十字形截面高度和宽度可以相等，也可以不相等，十字形竖向和横向的厚度可以相等，也可以不相等，并在沿轮辐方向可以是变化的。但十字形截向是对称的，其对称轴是相应的轮辐主干部分矩形截面的纵向轴和横向轴。
本实用新型轮辐主干11、12、13、14的截面形状可以是矩形，也可是其它至少包含矩形相对应的四条边的多边形。
本实用新型中心块部分可以是多种由圆弧和直线构成的对称形状，如正方柱形和圆柱形等。
应变计对拉伸和压缩敏感，并产生电阻变化。根据其电阻变化可测量所加的力和力矩的大小和方向。取轮辐1和3的延伸方向为X轴，取轮辐2和4的延伸方向为Y轴，则Z轴如图2所示。当外缘部分20固定，在中心部分10上加一X轴方向的力时，轮辐1和3受到拉伸和压缩，而轮辐2和4受到弯曲。注意到浮动梁5和7在X轴方向的尺寸，即5、7的“厚度”明显小于其Z方向尺寸或“高度”，故浮动梁在X轴方向有足够的柔性。加到中心部分10上的力几乎全用于轮辐2和4的弯曲，受力情况和悬臂梁相似。因而可用贴在轮辐2、4主干部分侧面的应变计测量所加的力。整个结构是对称的，Y轴方向情况与X轴方向相同。故对X和Y方向的力可以不受干扰地独立测量。本实用新型提出的结构，轮辐1、2、3、4的主干部分11、12、13、14呈矩型或多边形。轮辐末端部分15、16、17、18是十字形截面，这种结构的特点是对于垂直于轮辐轴向的弯曲是刚性的，而对于沿轮辐轴向的力矩则是柔性的。因此在测量Mx时，轮辐1，3的末端部分15、17扭曲，而其主干部分11、13几乎不受影响。这样如图2所示，Mx可用轮辐2和4的上下两个面上应变计电阻变化来测量。My可用轮辐1和3的上下两个面上应变计电阻变化来测量。对Z方向的力Fz，轮辐1、2、3和4受力是对称的，可用四根轮辐上下两面的应变计的电阻变化来测量。对于Z方向的力矩Mz，四根轮辐受力也是对称的，可用四根轮辐侧面上的应变计的电阻变化来测量。
本实用新型提出的结构除了可构成测量六自由度力和力矩的传感器外，尚可减少一些应变计做成测三、四、五自由度力和力矩的传感器。
本实用新型克服了已有技术的不足，使各分量均可用轮辐弯曲应变来测力和力矩，具有灵敏度高，维间耦合干扰小，刚性强，动态特性好的特点。
权利要求1.一种由中心块，轮辐，外缘等部分构成的六自由度力和力矩传感器，其特征在于在外缘20内有一中心块部分10，中心块部分10和外缘20是同轴的。两者由相互垂直的轮辐1、2、3、4连接。轮辐矩形截面的主干部分11、12、13、14与中心块部分10连接，轮辐十字形截面的末端部分15、16、17、18与浮动梁5、6、7、8中心相连，浮动梁两端和刚性外缘20相连，以上结构是一个整体。应变计贴在轮辐1、2、3、4的各个面上。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于中心块10的形状可以是方柱形或圆柱形。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于轮辐主干部分11、12、13、14的截面可以是包含矩形相对应的四条边的多边形。
专利摘要一种涉及六自由度力和力矩传感器，属传感器类。本实用新型由中心块部分，外缘部分和连接中心块部分与外缘部分的四根互相垂直的轮辐部分组成。每一轮辐部分由矩形截面的主干部分和十字形截面的末端部分组成。浮动梁中心和轮辐末端部分相连，浮动梁两端与外缘部分相连。机电变换器，如应变计贴在轮辐的主干部分上。本实用新型提出的结构具有敏感度高，维间耦合干扰小，刚性强，动态性能好等优点。
文档编号G01L1/20GK2165435SQ93224329
公开日1994年5月18日 申请日期1993年9月8日 优先权日1993年9月8日
发明者王国泰, 葛运建, 易秀芳, 王理丽, 朱永亮 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所