[实用新型]多维力传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种多维力传感器及校准方法。

背景技术

多维力传感器能同时将各个轴上的力和力矩转化为电信号输出，可用于检测不断变化的力与力矩的大小和方向，广泛应用于机器人、自动化设备、医疗器械等领域中，如自动打磨机器人、远程手术机械手臂等。

多维力传感器的内部一般包含有至少三个弹性体，多维力传感器将自身承受的载荷转化为弹性体的形变，通过测量三个弹性体的形变计算出当前载荷的大小和方向。现有技术中的多维力传感器的种类非常多样，不同的多维力传感器所具有的弹性体的数量和弹性体的具体结构形式各不相同，在传感器承受了过大的载荷后很容易导致弹性体的弹性性能产生不可恢复的改变，造成测量精度下降。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种带有保护装置的多维力传感器，使得施加在传感器上的超额载荷不会直接作用在弹性体上，提高了整个传感器的使用寿命和可靠性。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种多维力传感器，包括外圈结构、内圈结构、弹性柱、应变片和保护器；所述外圈结构为圆环形，内圈结构与外圈结构之间通过至少三个弹性柱连接，每个弹性柱的两端分别连接外圈结构和内圈结构，所有弹性柱围绕外圈结构的中轴线均匀布置；所述内圈结构与弹性柱接触的区域设置有长槽，每个长槽在内圈结构的表面形成一个边缘支撑的架空平板，弹性柱连接在架空平板上；保护器安装在外圈结构上，保护器与内圈结构之间留有间隙；每个弹性柱的侧面粘贴有应变片。

对于采用应变片测量弹性柱的多维力传感器来说，弹性柱本身的形变很小；增加了长槽结构后可以形成架空平板，架空平板本身较薄，通过合理设计架空平板的厚度以及采用合适的材料可以使得架空平板在承受载荷时产生合理的形变，这种形变使得传感器的内圈结构产生较为明显的位移，内圈结构与保护器之间的间隙发生改变。在载荷过大的情况下，内圈结构与保护器接触，超额的载荷由保护器直接承受，而不会传导至弹性柱上，起到过载保护作用。

进一步的，所述保护器与外圈结构之间螺纹连接或者过渡配合，便于调节保护器与内圈结构之间的间隙。

进一步的，所述内圈结构上设置有保护孔，保护器的局部嵌入保护孔内，保护器与保护孔的内壁及孔底之间留有间隙；由于内圈结构承受的载荷的方向具有不确定性，内圈结构相对于保护器的相对运动并不一定是简单的直线运动，也有可能是复杂的相对旋转，通过保护孔的设计可以使得保护器在复杂载荷的情况下也能发挥作用。

进一步的，任意两个相邻的弹性柱之间设置有一个保护器。

进一步的，所述弹性柱的横截面为矩形，弹性柱具有四个侧面，每个侧面上均粘贴有应变片。

本实用新型多维力传感器的校准方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在内圈结构上连接标准质量块，在标准质量块或者内圈结构上安装陀螺仪和加速度计，将外圈结构连接在机械臂上；所述标准质量块的质量为M₀，所述标准质量块的质心坐标为R＝{R_x,R_y,R_z}，所述质心坐标R的坐标系采用的是多维力传感器的内部坐标系；

步骤(2)：使用机械臂控制多维力传感器及与之连接的质量块缓慢旋转，在缓慢旋转的过程中同步调整多维力传感器的中轴线指向空间的不同方向，旋转轴至少应包括多维力传感器内置坐标系的xyz坐标轴；在此过程中动态采集应变片、加速度计和陀螺仪的输出，其中陀螺仪用于筛选数据，如果陀螺仪在某一段时间内输出的数据的方差值和陀螺仪静态输出数据的方差值之间的差小于设定值，则认定这段时间内的加速度计的数据可以用于下述步骤(3)的计算，这是为了排除科氏力的干扰；

步骤(3)：根据公式

M₀gT(R)＝VT_6*6-F_bias

计算多维力传感器的内置参数F_bias和T_6*6；

其中

g：加速计输出的当前传感器的加速度{g_x,g_y,g_z}；

T(R)：大地坐标系对传感器内部坐标系的转换矩阵

V：应变片的输出电压{V₁,V₂,V₃,V₄,V₅,V₆}。